当我们说到操作一个外设或者是完成某一个功能时，其实都是在操作寄存器，那么到底什么是寄存器呢？简单说：寄存器就是一个内存单元，一个具有特殊功能的内存单元。比方说，这一块地址的功能是管理输出能力的，那么我们为了方便，就给它起一个名字，叫做输出寄存器。目前可能还不是很好理解，下面我会给出详解。先看一张图片：

图3-1 存储器映像图

简单说说这张图，最左边的八大块，每一块都有一个地址范围，大小都是512M，那么加起来刚好是4G，也就是2^32，这刚好就是STM32刚好是32位，类比，你一个8位的单片机，内存可能就是1G。上面提到过，为了方便管理以及使用，将每一个内存单元划分为不同的模块，每个模块的功能各有不同。举个例子：一栋楼，每一层楼都是一个部门，每个部门负责的任务不一样，那么为了方便，出现研发部，市场部……寄存器划分同样如此。

那么到底是怎么规定的呢？或者说到底怎么就说实质是在操作寄存器呢？看看下面两张图，需要结合起来看。

图3-2 寄存器配置图

图3-3 引脚视图

你可以想象一下，一个32位的小盒子，管理0~15，16个部门，那么也就是说两个盒子控制一个部门。配置1号盒子，也就是图中划出的部分，我将二三位配置为00，代表我的一号引脚就是输出模式，这样说应该很清楚吧？对于如何将某两位配置为00，你可以参考以下的过程

图3-4 配置过程图

在不改变以前每一位数的情况下（3向左移位2再取反），将二三位都改成了0，代表一号引脚的模式就是输出模式。上述还给给出了一个叫偏移地址的东西，那么这么理解呢？

图3-5 结构体地址偏移图

定义一个结构体，那么这个结构体会在内存单元中存储下来，比如这个结构体存储在0x22222222这个内存单元，那么对于b成员的首地址，它就是0x22222226，里面的0x04就是偏移地址，偏移这个结构体的地址，也就是相对于这个结构体而言。最后在过一下“操作外设就是操作寄存器这句话”。倘若你有一个结构体，

图3-6 寄存器访问图

比如我定义一个结构体，名字就叫GPIOA，当你GPIOA->MODER &= (~(3<<2))的时候，是不是很熟悉？这个不就是在操作寄存器吗？你结合结构体想一想，我通过宏定义取到一个地址，这个地址就是寄存器的地址，直接给寄存器赋值，你使用的时候就是通过一个结构体成员来赋值，其实是一样的，只是为什么使用结构体，这个结构体怎么来的，你真的知道吗？分析一下，为什么我使用无符号32位int，为什么我使用32位？以及*号是否可以去掉？我就说一句：16号引脚，每个引脚占两位，刚好就是32位，为什么取地址，因为我要的就是某个寄存器的地址，不加*号怎么能是地址呢？不还是一个数字吗？

结合以上的图，多看两遍，我相信你对这句话一定会有自己独特的认识。

3.2 GPIO的工作模式

图3-7 GPIO引脚输入/输出

图3-8 GPIO功能描述

3.2.1 输入模式

浮空输入

IO端口 - 施密特触发器 - 输入数据寄存器 - 读（信号路径）

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的，易受干扰。

优点：这一种输入模式的电平会完全取决于外部电路而与内部电路无关。

缺点：在没有外部电路接入的时候，IO脚浮空会使得电平不确定

应用：该模式是STM32复位之后的默认模式，一般用作对开关按键的读取或用于标准的通讯协议，比如IIC、USART的等。

上拉输入

IO端口 - 上拉电阻 - 施密特触发器 - 输入数据寄存器 - 读（信号路径）

输入的电平不会因上下浮动而导致输入信号不稳定，当外部没有信号输入时，上拉电阻会将输入信号钳在高电平，此时引脚始终读到高电平信号。

下拉输入

IO端口 - 下拉电阻 - 施密特触发器 - 输入数据寄存器 - 读（信号路径）

输入的电平不会因上下浮动而导致输入信号不稳定，当外部没有信号输入时，下拉电阻会将输入信号钳在低电平，此时引脚始终读到低电平信号。

模拟输入

IO端口 - 片上外设模块(电压信号)（信号路径）

信号进入后不经过上拉电阻或者下拉电阻，关闭施密特触发器，经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块。所以可以理解为模拟输入的信号是未经处理的信号，是原汁原味的信号。

应用：当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，则需要选择“模拟输入”功能，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。

3.2.2 输出模式

推挽输出：两个MOS管都使用

输出数据寄存器'0'——>输出控制‘1’——>NMOS激活

图3-9 推挽输出低电平

输出数据寄存器'1'——>输出控制‘0’——>PMOS激活

图3-10 推挽输出高电平

输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。具备输出高低电平的能力。推挽输出就是可以需要利用两个不同的MOS管来实现输出。推挽输出模式下（P-MOS管+N-MOS管），通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。

开漏输出：PMOS不使用

输出寄存器上的的’0’激活 N-MOS，输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态 (P-MOS 从不被激活 )。

图3-11 开漏输出低电平

图3-12 开漏外接上拉电阻

开漏输出无法真正输出高电平，即高电平时没有驱动能力，需要借助外部上拉电阻完成对外驱动。可以利用改变上拉电源的电压来适应所需，进而提高外部电路的驱动能力。MOS管的漏极等于啥也没接，处于一个开路状态，所以这个模式称之为开漏模式 。

优势1：虽然我们可以看到开漏输出是没有办法在内部输出一个高电平，但是这一个看似是缺点。其实实际上是一种优点。当给一个低电平的时候，MOS管没有导通，此时电压不确定导致无法输出高电平，但是一旦我们在外部增加一个上拉，那么这一个缺点就会被有效避免。并且，因为是我们自己设计一个上拉，这个上拉的电压是由我们自己确定，这样我们就可以根据外部电路需要多少V的高电平来给这一个上拉的电压，可以更好的适应更多情况。

优势2：开漏输出的实质其实就是一个OD门（OD：漏极输出(Open Drain)）。而在数电中，OD门有一个非常重要的特性就是可以实现线与的功能，简单来说，就是在像IIC这样的总线协议中，只要有一个给低电平，那么总线都会被拉低。

4、GPIO常见应用场景

控制LED灯：GPIO可以用来控制LED灯的亮灭状态，通过设置GPIO引脚为输出模式，并控制引脚的电平状态，实现LED灯的开关和闪烁效果。
按键输入：GPIO可以作为输入接口，用于读取外部按键的状态。通过配置GPIO引脚为输入模式，并读取引脚的电平状态，可以实现按键的检测和触发相应的操作。
传感器接口：许多传感器（如温度传感器、湿度传感器等）可以通过GPIO与嵌入式系统进行通信。例如，通过I2C或SPI协议将传感器连接到特定的GPIO引脚，从而读取传感器提供的数据。
驱动电机：GPIO可以用作控制电机的引脚，通过控制引脚的电平状态和时序，实现电机的正转、反转、速度控制等功能。
触摸屏输入：某些嵌入式设备使用触摸屏作为主要的输入方式。GPIO可以用于读取触摸屏的输入信号，通过配置GPIO引脚为输入模式，并使用相应的驱动程序，实现触摸屏的触摸检测和坐标获取。
外部设备控制：除了上述应用场景，GPIO还可以用于与其他外部设备进行通信和控制。例如，与LCD显示屏、蜂鸣器、继电器等设备进行连接，通过GPIO控制这些设备的工作状态。

5、GPIO点灯

关于使用GPIO实现点亮一盏灯，这是单片机入门的一个实验。首先要做的就是查看手册，找到相应的部件，会看电路原理图，一点不难，看懂应该输出高电平还是低电平，看懂连到哪一个GPIO端口就可以实现了。

5.1 查看原理图

图5-1 LED原理图

图5-2 核心板原理图

图5-3 芯片原理图

5.2 代码实现

操作寄存器为例：


    RCC->IOPENR |= 1<<1;			//使能时钟
	GPIOB->MODER  &= ~(0x3<<4); 	//模式清零
	GPIOB->MODER   |= 1<<4;			//模式置位
	GPIOB->OTYPER  &= ~(1<<2);		//输出类型
	GPIOB->ODR  &= ~(1<<2);			//输出数据

6、GPIO总结

GPIO是通用输入输出端口，常见于嵌入式系统和单片机中。它具有多种应用和扩展能力，通过控制引脚的输入输出状态，实现了与外部设备的交互和数据传输，扩展了系统的功能和灵活性。
GPIO的使用需要对引脚的输入输出模式、读取和写入状态、中断等概念进行理解和掌握，在使用过程中需要注意GPIO特性和限制，以及避免误触发等问题。
为了更好地应用GPIO进行嵌入式系统开发和硬件控制，大家可以借助系统提供的命令或编程语言的函数来实现GPIO引脚模式的设置、读取和写入状态等操作。同时，也可以参考GPIO的应用案例以及常见问题和解决方案，提高GPIO的使用技巧和问题解决能力。
总之，GPIO作为通用输入输出接口，在嵌入式系统和单片机中具有重要的地位。理解和掌握GPIO的使用方法和注意事项，对于嵌入式系统开发者来说是非常重要的。希望本篇GPIO能够帮助大家更好地了解和掌握GPIO的知识和应用方法。

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