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MCU和GPIO （1）

news 2025/10/14 8:59:12

1.单片机MCU

好久没有更新了，最近学了一下hi3861芯片，算是学STM32的预习。有机会再更新hi3861吧

1.1单片机和嵌入式系统

嵌入式系统

硬件 + 软件的嵌入式系统。嵌入到特定设备中，从而控制设备的执行。
硬件：处理单元，内存 + 硬盘
软件：裸机程序或者实时操作系统。

生活中实现的常见场景

智能家居，智能穿戴设备，无人设备，智能驾驶，军事
汽车主机厂，军工单位，智能化工厂

1.2MCU

微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

1.3STM32开发板概述

主包学习使用的开发板是STM32F103ZET6，图中这个

目前使用的开发版是基于 STM32F103ZET6 型号。

ST 意法半导体公司产品

M 使用 Cortex-M 内核

32 当前 MCU 为 32 位芯片

F103

F1 ==> Cortex-M3 内核

03 ==> F1 系列的型号，03 是增强型。

ZET6

Z ==> 引脚数目 144 引脚

E ==> 闪存存储器大小(Flash) 512 KB

T ==> 封装标准 LQFP 封装

6 ==> 工作温度范围 -40 ~ 85 ℃

2.GPIO

2.1GPIO概述

GPIO，全称为 通用输入输出，是一种存在于集成电路（如微控制器、单板计算机等）上的数字信号引脚。它的核心特征是 “通用”，意味着这些引脚没有预先设定的单一功能（比如专门用于UART 通信或I2C通信），其具体行为（作为输入还是输出）可以通过软件进行动态配置。对于 GPIO 而言

GPIO 方式输入 or 输出
GPIO 电压情况，高电平 or 低电平

2.2STM32F103ZET6 GPIO 相关内容

不同的 MCU 信号中，对应的 GPIO 数量不同，主要因素是对应 STM32 引脚数量

GD32F103C8T6 对应 GPIO 有两组分别是 GPIOA 和 GPIOB，每一组 16 个通用GPIO，可编程 GPIO 有 32 个
STM32F103ZET6 对应 GPIO 有七组 GPIOA ~ GPIOG，每一组 16 个通用GPIO，可编程 GPIO 有 16 * 7 = 112 个

硬件设计中的很多理念都遵循 2 进制思想，另外在硬件开发中，操作使用的二进制情况很多，需要重点掌握【位操作】相关内容

2.3GPIO开发流程

原理图分析

根据原理图，分析当前编程需要控制的引脚是哪一个，同时期望的现象需要当前 IO 对应工作状态。

寄存器控制开发

时钟使能，MCU 中所有的外部设备处于休眠状态。需要告知 MCU 当前外部设备需要工作，加入到 MCU 的执行周期中。
根据原理图分析的 GPIO 工作模式，对应 GPIO 进行配置。
- 明确 GPIO 分组
- 明确 GPIO 引脚编号
- 明确 GPIO 工作模式和高低电平状态。
- 根据以上信息进行配置。

根据业务所需，进行相关代码实现。

2.4GPIO控制LED灯

这里用最简单的控制LED灯来学习GPIO的使用

LED原理图分析

对应引脚是LED0和LED1
当前LED对应IO引脚
- IO提供高电平，LED灭
- IO提供低电平，LED亮
分析
- GPIO要求可以提供高低电平切换。
- GPIO对应输出模式

引脚关系

LED0 ==> PB5
- GPIO 分组 B 组中编号为 5 的引脚
LED1 ==> PE5
- GPIO 分组 E 组中编号为 5 的引脚

2.5GPIO端口内部基本电路情况

STM32中GPIO有八中工作模式

2.5.1. 浮空输入模式（Floating Input）

原理：在这种模式下，GPIO 引脚没有接上拉电阻或下拉电阻，其电平状态完全取决于外部电路。引脚处于高阻抗状态，输入电流几乎为零。根据当前 IO 口分压来判断高低电平数据。
应用场景：适用于外部信号已经有明确的驱动能力和电平状态的情况，比如连接按键，按键按下时直接将引脚接地，松开时引脚浮空，通过读取引脚电平判断按键状态。

2.5.2. 上拉输入模式（Pull - up Input）

原理：GPIO 引脚内部连接了上拉电阻，当外部电路没有对引脚进行驱动时，引脚电平被上拉到高电平。如果外部电路将引脚拉低，那么引脚电平就为低电平。
应用场景：常用于按键输入，当按键未按下时，引脚通过上拉电阻保持高电平；按键按下时，引脚接地变为低电平，避免了引脚浮空可能带来的电平不稳定问题。

2.5.3. 下拉输入模式（Pull - down Input）

原理：与上拉输入模式相反，GPIO 引脚内部连接了下拉电阻，当外部电路没有对引脚进行驱动时，引脚电平被下拉到低电平。如果外部电路将引脚拉高，那么引脚电平就为高电平。
应用场景：同样适用于按键输入等场景，当按键未按下时，引脚通过下拉电阻保持低电平；按键按下时，引脚接高电平。

2.5.4. 模拟输入模式（Analog Input）

原理：该模式下，GPIO 引脚用于模拟信号的输入，内部的数字逻辑电路被断开，引脚直接连接到模拟信号处理模块，如 ADC（模拟 - 数字转换器）。
应用场景：用于采集模拟信号，如温度传感器、压力传感器等输出的模拟电压信号，通过ADC 将模拟信号转换为数字信号进行处理。

2.5.5. 开漏输出模式（Open - Drain Output）

原理：在开漏输出模式下，GPIO 引脚内部的输出级只有 N 沟道 MOS 管，当输出为低电平MOS 管导通，引脚接地；当输出为高电平时，MOS 管截止，引脚处于高阻态，需要外部接上拉阻才能输出高电平。
应用场景：常用于实现线与功能、I2C 总线等通信协议，多个开漏输出引脚可以连接在一起，只要有一个引脚输出低电平，总线就为低电平。

2.5.6. 推挽输出模式（Push - Pull Output）

原理：推挽输出模式下，GPIO 引脚内部的输出级由 P 沟道 MOS 管和 N 沟道 MOS 管组成。当输出为高电平时，P 沟道 MOS 管导通，引脚输出高电平；当输出为低电平时，N 沟道MOS 管导通，引脚输出低电平。
应用场景：适用于直接驱动一些负载，如 LED 灯，能够提供的驱动能力。

2.5.7. 复用开漏输出模式（Alternate Function Open - Drain Output）

原理：该模式下，GPIO 引脚的功能由片上外设控制，输出级采用开漏输出结构。与普通开漏输出模式类似，需要外部接上拉电阻才能输出高电平。
应用场景：常用于一些通信协议和外设接口，如 SPI 总线的某些引脚、I2C 总线等，将 GPIO引脚复用为外设的特定功能。

2.5.8. 复用推挽输出模式（Alternate Function Push - Pull Output）

原理：此模式下，GPIO 引脚的功能由片上外设控制，输出级采用推挽输出结构，能够直接输出高电平和低电平。
应用场景：常用于一些需要较强驱动能力的外设接口，如 UART 通信的发送引脚、PWM 信号输出等。

根据当前 LED 电路原理图分析，和需求的 GPIO 功能分析。当前对应 GPIO PB5 和 PE5 需要设

置为推挽输出模式。

2.6时钟使能

时钟是当前 MCU 的执行能力，主要的核心参数/内容

时钟频率：一般都是 MCU 和外部晶振提供，作为 MCU 处理任务的核心时钟参数，当前STM32F103ZET6 芯片时钟是 72 MHz。芯片的运算速度可以认为是 13.88ns 时间周期执行一次计算。
时钟树：当前 MCU 内部的电路设计，将 MCU 的计算器能力提供多个时钟提供端口，将MCU 执行能力提供给不同的功能模块，每一个模块都有固定的内部时钟管道。
- 类似于水厂/热力公司，根据不同的区域管道，提供自来水/热力。

2.7寄存器开发模式

根据 STM32 内核提供的标准库函数，利用寄存器方式对模块进行配置和使用。

寄存器就类似于拨码开关，根据官方要求和限制，需要提供拨码开关的不同形式来进行配置开发。

2.7.1时钟使能，对应寄存器RCC

RCC ==> Reset & Clock Control

根据原理分析引脚关系和时钟树分析对应时钟分配情况，当前需要通过 RCC 控制 APB2 使能 (Enable) GPIOB 和 GPIOE 两个 GPIO 组时钟，从而满足执行操作。

根据文档：

我们要让IOPE和IOPB使能

有两种方式

方式1：直接赋值给寄存器数据0x0000 0048

方式2：

RCC->APB2ENR |= (0x01 << 6); // 使能 GPIOE
RCC->APB2ENR |= (0x01 << 3); // 使能 GPIOB

2.7.2GPIO对应引脚配置

根据原理图分析，对应引脚是 PB5 和 PE5，对应工作模式为 GPIO 推挽输出模式。利用 GPIO 寄存器对当前的 IO 引脚进行控制。

在 STM32 中的一组 GPIO 有 16 个 IO 口。内核将 16 个 IO 分为高低两组

高位寄存器 8 ~ 15

低位寄存器 0 ~ 7

因为多组 GPIO，在底层寄存器中，利用 GPIOx 提供不同的分组 GPIO 控制。例如 GPIOA，

GPIOB...

当前 GPIOB ==> PB5 和 GPIOE ==> PE5 所需的工作模式为

通用推挽输出模式

需要对当前寄存器中的 CNF5 和 MODE5 进行组合配置，可以提供数据为

0001 ==> 推挽输出模式，速度 10 MHz
0011 ==> 推挽输出模式，速度 50 MHz
0010 ==> 推挽输出模式，速度 2 MHz

GPIOB->CRL |= (0x03 << 20); // GPIOB 组中 PB5 引脚配置为通用推挽输出模式，速度 50MHz
GPIOE->CRL |= (0x03 << 20); // GPIOE 组中 PE5 引脚配置为通用推挽输出模式，速度 50MHz

2.7.3 GPIO 引脚输出高低电平配置

通过ODR配置输出电平

LED 亮，GPIO对应就为低电平

GPIOB->ODR &= ~(0x01 << 5);
GPIOE->ODR &= ~(0x01 << 5);

LED 灭，GPIO对应就为高电平

GPIOB->ODR |= (0x01 << 5);
GPIOE->ODR |= (0x01 << 5);

2.8代码实现

#include "stm32f10x.h"
/*
STM32 核心头文件，没有当前头文件无法完成项目开发！！！
stm32f10x.h 对应芯片系列为
F10x ==> F101 F102 F103 F105 F107....
*/
int main(void)
{
/*
1. 时钟使能
需要将 MCU 时钟提供给 GPIOB 和 GPIOE
对应寄存器是 RCC->APB2ENR
*/
RCC->APB2ENR |= (0x01 << 3); // 使能 GPIOB IO组
RCC->APB2ENR |= (0x01 << 6); // 使能 GPIOE IO组
/*
2. 对应 GPIO 引脚功能配置，需要对 PB5 和 PE5 引脚统一配置为
【通用推挽输出模式】
对应寄存器是 GPIOx->CRL
GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 20);
GPIOB->CRL 32位寄存器 0100 0100 【????】 0100 0100 0100 0100 0100
0x0F ==> 0000 1111 执行左移 20 位
0000 1111 0000 0000 0000 0000 0000
~(0x0F << 20)
1111 0000 1111 1111 1111 1111 1111
GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 20);
0100 0100 ???? 0100 0100 0100 0100 0100
& 1111 0000 1111 1111 1111 1111 1111
0100 0100 0000 0100 0100 0100 0100 0100
*/
// PB5 配置
GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 20);
GPIOB->CRL |= (0x03 << 20); // 0011 ==> 通用推挽输出模式，速度 50 MHz
// PE5 配置
GPIOE->CRL &= ~(0x0F << 20);
GPIOE->CRL |= (0x03 << 20); // 0011 ==> 通用推挽输出模式，速度 50 MHz
/*
3. 控制 GPIOx_ODR 寄存器，配置高低电平
高电平 ==> LED 灭
低电平 ==> LED 亮
*/
while (1)
{
// LED0 亮 LED1 灭
GPIOB->ODR &= ~(0x01 << 5);
GPIOE->ODR |= (0x01 << 5);
for (u32 i = 0; i < 10000000; i++) {}
GPIOB->ODR |= (0x01 << 5);
GPIOE->ODR &= ~(0x01 << 5);
for (u32 i = 0; i < 10000000; i++) {}
}
}

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