開(kāi)發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開(kāi)發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 GPIO工作原理

熟悉單片機(jī)的朋友都知道，學(xué)習(xí)的第一個(gè)例程就是流水燈，要想實(shí)現(xiàn)流水燈，首先必須了解GPIO的工作原理。GPIO的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

GD32 的 IO 口可以由軟件配置成如下 8 種模式：

• 輸入模式
• 浮空輸入：浮空（floating）就是邏輯器件的輸入引腳即不接高電平，也不接低電平。由于邏輯器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)它輸入引腳懸空時(shí)，相當(dāng)于該引腳接了高電平。一般實(shí)際運(yùn)用時(shí)，引腳不建議懸空，易受干擾。通俗講就是讓管腳什么都不接，浮空著。信號(hào)進(jìn)入芯片內(nèi)部后，既沒(méi)有接上拉電阻也沒(méi)有接下拉電阻，經(jīng)由觸發(fā)器輸入。配置成這個(gè)模式后，用電壓變量引腳電壓為1點(diǎn)幾伏，這是個(gè)不確定值。由于其輸入阻抗比較大，一般把這種模式用于標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，比如IIC、USART的等。該模式是GD32復(fù)位之后的默認(rèn)模式。

• 上拉輸入：上拉就是把電位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是將不確定的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻嵌位在高電平，電阻同時(shí)起限流作用，弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒(méi)有什么嚴(yán)格區(qū)分。上拉輸入就是信號(hào)進(jìn)入芯片后加了一個(gè)上拉電阻，再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成0、1信號(hào)，讀取此時(shí)的引腳電平為高電平。

• 下拉輸入：就是把電壓拉低，拉到GND。與上拉原理相似。下拉輸入就是信號(hào)進(jìn)入芯片后加了一個(gè)下拉電阻，再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成0、1信號(hào)，讀取此時(shí)的引腳電平為低電平。

• 模擬輸入：信號(hào)進(jìn)入后不經(jīng)過(guò)上拉電阻或者下拉電阻，關(guān)閉施密特觸發(fā)器，經(jīng)由另一線路把電壓信號(hào)傳送到片上外設(shè)模塊。模擬輸入是指?jìng)鹘y(tǒng)方式的輸入，數(shù)字輸入是輸入PCM數(shù)字信號(hào)，即0、1的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)前級(jí)放大進(jìn)入功率放大器，功率放大器還是模擬的。比如傳送給ADC模塊，由ADC采集電壓信號(hào)。所以可以理解為模擬輸入的信號(hào)是未經(jīng)處理的信號(hào)，是原汁原味的信號(hào)。

• 輸出模式
• 開(kāi)漏輸出：一般用在電平不匹配的場(chǎng)合，如需要輸出5V的高電平。輸出端相當(dāng)于三極管的集電極，要得到高電平狀態(tài)需要上拉電阻才行。適合于做電流型的驅(qū)動(dòng),其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20mA以內(nèi))。

• 復(fù)用開(kāi)漏輸出：可以理解為GPIO口被用作第二功能時(shí)的配置情況（即并非作為通用IO口使用）。端口必須配置成復(fù)用開(kāi)漏功能輸出模式。

• 推挽式輸出：可以輸出高、低電平，連接數(shù)字器件；推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)的控制，總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。高低電平由IC的電源決定。推挽電路是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)，電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開(kāi)關(guān)速度。

• 推挽式復(fù)用輸出：可以理解為GPIO口被用作第二功能時(shí)的配置情況（即并非作為通用IO口使用）。端口必須配置成復(fù)用推挽功能輸出模式。

2 I/O復(fù)用和重映射

2.1 I/O復(fù)用

GD32 有很多的內(nèi)置外設(shè)，這些外設(shè)的外部引腳都是與 GPIO 復(fù)用的。也就是說(shuō)，一個(gè) GPIO如果可以復(fù)用為內(nèi)置外設(shè)的功能引腳，那么當(dāng)這個(gè) GPIO 作為內(nèi)置外設(shè)使用的時(shí)候，就叫做復(fù)用。當(dāng)I/O端口被配置為復(fù)用功能時(shí)：

● 在開(kāi)漏或推挽式配置中，輸出緩沖器被打開(kāi)

● 內(nèi)置外設(shè)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出緩沖器(復(fù)用功能輸出)

● 施密特觸發(fā)輸入被激活

● 弱上拉和下拉電阻被禁止

● 在每個(gè)APB2時(shí)鐘周期，出現(xiàn)在I/O腳上的數(shù)據(jù)被采樣到輸入數(shù)據(jù)寄存器

● 開(kāi)漏模式時(shí)，讀輸入數(shù)據(jù)寄存器時(shí)可得到I/O口狀態(tài)

● 在推挽模式時(shí)，讀輸出數(shù)據(jù)寄存器時(shí)可得到最后一次寫的值

大家都知道，MCU 都有串口，GD32 有好幾個(gè)串口。比如說(shuō) GD32F207IK有 8個(gè)串口，我們可以查手冊(cè)知道，串口 0 的引腳對(duì)應(yīng)的 IO 為 PA9,PA10.PA9， PA10 默認(rèn)功能是 GPIO， 所以當(dāng)PA9,PA10 引腳作為串口0的 TX,RX 引腳使用的時(shí)候，那就是端口復(fù)用。

關(guān)于串口的內(nèi)容后面的章節(jié)會(huì)詳細(xì)講解。

2.2 I/O重映射

為了使不同器件封裝的外設(shè) IO 功能數(shù)量達(dá)到最優(yōu)，可以把一些復(fù)用功能重新映射到其他一些引腳上。 GD32 中有很多內(nèi)置外設(shè)的輸入輸出引腳都具有重映射(remap)的功能。 我們知道每個(gè)內(nèi)置外設(shè)都有若干個(gè)輸入輸出引腳，一般這些引腳的輸出端口都是固定不變的，為了讓設(shè)計(jì)工程師可以更好地安排引腳的走向和功能，在 GD32中引入了外設(shè)引腳重映射的概念，即一個(gè)外設(shè)的引腳除了具有默認(rèn)的端口外，還可以通過(guò)設(shè)置重映射寄存器的方式，把這個(gè)外設(shè)的引腳映射到其它的端口。

從表中可以看出，默認(rèn)情況下，串口 0復(fù)用的時(shí)候的引腳位 PA9、PA10，同時(shí)我們可以將 TX 和 RX 重新映射到管腳 PB6 和 PB7 上面去。所以重映射我們同樣要使能復(fù)用功能的時(shí)候講解的 2 個(gè)時(shí)鐘外，還要使能 AFIO 功能時(shí)鐘，然后要調(diào)用重映射函數(shù)。

3 GPIO流水燈硬件電路分析

發(fā)光二極管是屬于二極管的一種，具有二級(jí)管單向?qū)щ娞匦?，即只有在正向電壓（二極管的正極接正，負(fù)極接負(fù)）下才能導(dǎo)通發(fā)光。PF6引腳接發(fā)光二極管(LED1)的正極，所以PF6引腳輸出高電平LED1亮，PF6引腳輸出低電平LED1熄滅，其他LED同理。

值得注意的，不同的開(kāi)發(fā)板，LED連接的GPIO一般是不同的，請(qǐng)注意修改。

4 GPIO流水燈寄存器分析

要想真正掌握一款單片機(jī)，分析寄存器是必不可少，但是對(duì)于GD32來(lái)再說(shuō)，GD已經(jīng)將寄存器操作封裝成庫(kù)函數(shù)，開(kāi)發(fā)者只需要調(diào)用庫(kù)函數(shù)即可，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，只需學(xué)會(huì)使用使用函數(shù)即可，對(duì)于沒(méi)有基礎(chǔ)的讀者朋友就不必細(xì)究每個(gè)寄存器，當(dāng)學(xué)到一定程度，再來(lái)一探究竟吧，筆者再這里只是給出GPIO的寄存配置相關(guān)配置表，在后面的章節(jié)也是如此。好了，繼續(xù)進(jìn)入正題吧。

每個(gè)GPIO端口都有兩個(gè)32位配置寄存器(GPIO_CTL0 ，GPIO_CTL1) ，兩個(gè)16位數(shù)據(jù)寄存器 (GPIO_ISTAT和GPIO_OCTL)，一個(gè)32位置位寄存器(GPIO_BOP)，一個(gè)16位復(fù)位寄存器(GPIO_BC)，一個(gè)16位鎖定寄存器(GPIO_LOCK)。每個(gè)I/O端口位可以自由編程。

點(diǎn)亮LED，基本步驟是：配置寄存器；控制寄存器。庫(kù)開(kāi)發(fā)只是將傳統(tǒng)的配置方式編程函數(shù)，是的單片機(jī)開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單方便快捷。

我們常用的 IO 端口寄存器只有 4 個(gè)： GPIO_CTL0、GPIO_CTL1、 GPIO_OCTL、 GPIO_BOP。其中GPIO_CTL0、GPIO_CTL1 控制著每個(gè) IO 口的模式及輸出速率。

GPIO_CTL0、GPIO_CTL1類似，讀者朋友可以參看《GD32F10x_User_Manual_EN_Rev2.4》數(shù)據(jù)輸入輸出寄存器是將對(duì)應(yīng)的IO口置位，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

5 GPIO 流水燈實(shí)現(xiàn)流程

筆者在上文已經(jīng)分析了GPIO的原理及操作步驟，現(xiàn)在我們就來(lái)寫代碼吧。

GPIO是開(kāi)發(fā)GD32最基本的配置，所以掌握GPIO的配置顯得尤為重要。要實(shí)現(xiàn)流水燈，一般步驟可以總結(jié)為如下：

1. GPIO 時(shí)鐘使能；
2. GPIO 端口模式設(shè)置；
3. 初始化IO口；
4. 編寫處理函數(shù)；

6 GPIO 流水燈實(shí)現(xiàn)

6.1 GPIO庫(kù)函數(shù)

GPIO庫(kù)函數(shù)相關(guān)的庫(kù)函數(shù)如下：

• gpio_deinit 復(fù)位外設(shè)GPIO
• gpio_afio_deinit 復(fù)位AFIO
• gpio_init GPIO參數(shù)初始化
• gpio_bit_set 置位引腳值
• gpio_bit_reset 復(fù)位引腳值
• gpio_bit_write 將特定的值寫入引腳
• gpio_port_write 將特定的值寫入一組端口
• gpio_input_bit_get 獲取引腳的輸入值
• gpio_input_port_get 獲取一組端口的輸入值
• gpio_output_bit_get 獲取引腳的輸出值
• gpio_output_port_get 獲取一組端口的輸出值
• gpio_pin_remap_config 配置GPIO引腳重映射
• gpio_pin_remap1_config 配置GPIO引腳重映射1
• gpio_exti_source_select 選擇哪個(gè)引腳作為EXTI源
• gpio_ethernet_phy_select 以太網(wǎng)MII或RMII PHY選擇
• gpio_event_output_config 配置事件輸出
• gpio_event_output_enable 事件輸出使能
• gpio_event_output_disable 事件輸出禁能
• gpio_pin_lock 相應(yīng)的引腳配置被鎖定

6.2 流水燈代碼實(shí)現(xiàn)

主函數(shù)代碼如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    /* configure LED1 GPIO port */
    led_init(LED1);

    /* configure LED2 GPIO port */
    led_init(LED2);

    /* configure LED3 GPIO port */
    led_init(LED3);

    /* configure LED4 GPIO port */
    led_init(LED4);

    while(1) 
    {
        /* turn on LED1, turn off LED4 */
        led_on(LED1);
        led_off(LED4);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);

        /* turn on LED2, turn off LED1 */
        led_on(LED2);
        led_off(LED1);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);

        /* turn on LED3, turn off LED2 */
        led_on(LED3);
        led_off(LED2);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);

        /* turn on LED4, turn off LED3 */
        led_on(LED4);
        led_off(LED3);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);
    }
}

代碼還是比較簡(jiǎn)單的，首先開(kāi)啟GPIO的時(shí)鐘，然后對(duì)GPIO初始化，主要是設(shè)置模式和速率，GPIO的初始化代碼如下：

/*
    brief      configure led GPIO
    param[in]  lednum: specify the led to be configured
      arg        LED1
      arg        LED2
      arg        LED3
      arg        LED4
    param[out] none
    retval     none
*/
void led_init(led_typedef_enum lednum)
{
    /* enable the led clock */
    rcu_periph_clock_enable(GPIO_CLK[lednum]);

    /* configure led GPIO port */
    gpio_init(GPIO_PORT[lednum], GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN[lednum]);

    GPIO_BC(GPIO_PORT[lednum]) = GPIO_PIN[lednum];
}

然后就可以控制GPIO高低電平了。

7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將編譯好的程序下載到板子中，可以看到四個(gè)LED燈依次閃爍。

審核編輯：湯梓紅