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【STM32】GPIO口以及EXTI外部中断

作者：我家小花儿 | 2024-08-04 02:21:11

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有关结构体的知识在这~
有关枚举的知识在这~

GPIO

一、简介

可配置为4种输入模式、4种输出模式

引脚电平0~3.3V，部分可以容忍5V

输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等

输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

二、基本结构

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每一个GPIO口都由寄存器和驱动器组成，寄存器的每一位对应一个引脚，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，输出（输入）寄存器写1引脚输出（输入）高电平，输出（输入）寄存器写0引脚输出（输入）低电平，因为STM32是32位的单片机，而引脚只有16个，所以寄存器只有低16位有对应的端口，驱动器用来增大驱动能力，寄存器只存储数据
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三、输入输出模式

一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入，所以在输入时，输出驱动器是关闭的，在输出时，输入驱动器是开启的
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当最右边I/O引脚输入高于VDD电压时，上方保护二极管被导通，电流进入不到电路中
当最右边I/O引脚输入低于VSS电压时，下方保护二极管被导通，电流进入不到电路中
所以可输入的电流范围在VSS~VDD

不管是输入输出模式，都会涉及到数字数据与模拟数据的转换，输入部分是通过触发器和输入数据寄存器，输出部分是通过MOS管和输出控制

1、输入模式

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上半部分是输入电路

（1）上拉输入

上拉输入和下拉输入都是通过stm32控制的，可以自己决定上拉、下拉、浮空，并且上拉电阻和下拉电阻的阻值都很大，所以对电路的影响不是很大

上拉输入就是输入驱动器上方开关接通，此时内部连接上拉电阻，是一种默认为高电平的输入方式

在引脚输入高电平时，输入高电平，引脚输入低电平时，输入低电平：
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引脚浮空（没有输入）时，输入高电平：
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然后通过触发器，这里的触发器作用是给信号整形，因为在输入的过程中信号可能会失真，
触发器的作用：当数据高于上阈值时输出高电平，低于下阈值时输出低电平，在中间晃悠的不变化

然后这个数据就写入输入数据寄存器，由程序读取寄存器某一位的数据就可以知道端口的输入电平了

然后是复用功能输入这根线连接到其他需要读取端口状态的外设上，接收数字量

（2）下拉输入

下拉输入就是输入驱动器下方开关接通，此时内部连接下拉电阻，是一种默认为低电平的输入方式

在引脚输入高电平时，输入高电平，引脚输入低电平时，输入低电平：
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在引脚浮空时，输入低电平：
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（3）浮空输入

当上拉电阻和下拉电阻同时断开时，此时引脚处于浮空输入状态，此时输入高电平为高电平，输入低电平为低电平

当引脚处于浮空状态时，输入不确定，任意稍微的影响都有可能导致输入发生变化

小总结：不管是上拉输输入、下拉输入还是浮空输入，优先保证I/O口的输入如果为高电平（低电平），那么输入一定是高电平（低电平），变化只是在引脚处为浮空输入时有变化，我们一般使用浮空输入（多数情况下）和上拉输入（在有外界干扰的情况下），很少使用下拉输入

当使用浮空输入时最好使用一个连续的驱动，防止输入浮空

（4）模拟输入

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接收模拟量，接到触发器前边，直接接收真实信号

2、输出模式

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下半部分是输出电路

数字数据由输出数据寄存器或外设控制，输出数据寄存器控制输出直接接普通I/O口，外设控制输出则需要使用AFIO口，也就是复用功能IO口

输出数据寄存器还接一个位设置/清除寄存器，用来随时更改输出数据寄存器的某一位上的值
通过将位设置寄存器某一位改为1（不需置输出数据寄存器某一位为1的都为0），那么对应的那一位的输出数据寄存器的值就设置为1
通过将位清除寄存器的某一位改为1（不需置输出数据寄存器某一位为0的都为0），那么对应的那一位的输出数据寄存器的值就设置为0

（1）推挽输出

在推挽输出模式下，P-MOS管、N-MOS管均可以使用
MOS管就相当于一个开关，只是这个开关可以用来转换信号
数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，引脚直接接VDD，输出高电平
数据寄存器为0时，上管断开，下管导通，引脚直接接VSS，输出低电平

在推挽输出模式下STM32对I/O口有绝对的控制权，高低电平的输出都是由STM32决定的

（2）开漏输出

在开漏输出模式下，P-MOS管不可用，N-MOS管可用
数据寄存器为1时，下管断开，此时引脚处为高阻态（无驱动能力）
数据寄存器为0时，下管导通，引脚接VSS，输出低电平（有驱动能力）

在引脚外接一个上拉电阻到5V的电源，当输出低电平时N-MOS接VSS，输出高电平时，上拉电阻将电压拉高至5V

（3）复用推挽输出

同推挽输出，不过是由外设控制的，不是数据寄存器控制的

（4）复用开漏输出

同开漏输出，不过是由外设控制的，不是数据寄存器控制的

EXIT外部中断

一、中断系统

在主程序运行过程中，出现了特定的中断触发条件，也叫中断源，使得CPU暂停当前正在运行的程序，去处理中断程序，处理完成后再返回原来的位置继续执行主程序

当有多个中断源同时申请中断时，CPU会先相应优先级更高的中断源，优先级是可以自己设置的

当一个中断程序正在运行时，又有新的优先级更高的中断源申请中断，CPU暂停当前中断程序，去处理该优先级更高的中断程序，处理完后返回该中断程序

二、STM32中断

STM32使用NVIC统一管理中断，每个中断通道有16个可编程的优先级，优先级可再分为抢占优先级和响应优先级

1、NVIC的基本结构

在第一篇的博文里提到过外设表，外设表中的前两个是内核外设，NVIC就是一个内核外设，是用来管理中断的

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每个中断都可以直接连接到NVIC上，NVIC通过分配优先级确定每个中断的先后顺序，它同一时间只会上交一个中断给CPU，让CPU处理中断

2、NVIC优先级分组

NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位决定，这4位可以分为高n位的抢占优先级和低4-n位的相应优先级，当抢占优先级和响应优先级均相同时按照中断号排队

抢占优先级和响应优先级分为五组

组别（位数以及取值范围）	抢占优先级	相应优先级
0	0位，0	4位，0~15
1	1位，0~1	3位，0~7
2	2位，0~3	2位，0~3
3	3位，0~7	1位，0~1
4	4位，0~15	0位，0

三、EXTI简介

EXTI可以监测指定GPIO的电平信号，当电平变化时，EXTI向NVIC发出中断申请

支持上升沿、下降沿、双边沿、软件触发
上升沿：电平由低电平变为高电平的瞬间触发中断
下降沿：电平由高电平变为低电平的瞬间触发中断
双边沿：上升沿和下降沿都可以触发中断
软件触发：程序代码执行触发中断

任意GPIO口都可以当做外部中断的引脚，但GPIO后边跟的数字相同不能触发中断，这个数字叫做pin，也就是说PA0和PB0不能同时做中断引脚，如果需要多个中断引脚的话pin值不能相同，原因是GPIO连接到AFIO上，起到中断引脚选择的作用，AFIO从pin值相同的通道里选择一个接到EXTI边沿检测及控制电路上，一共选择16个，也就是PA0、PB0、PC0只能有一个接到EXTI边沿检测及控制电路上，再加上PVD、RTC、USB、ETH四个特殊外设一共20个输入信号，经过EXTI分为两种输出：NVIC触发中断，其他外设触发事件响应

这里5 ~ 9、10 ~ 15整合到一条通道上了，一条通道上的触发同一个中断函数，在中断函数里还需要标志位才能区分到底是哪一个中断进来的
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如果发生EXTI外部中断，可以发生中断响应或者事件响应，中断响应就是执行中断程序，事件响应就是操作外设而不触发中断

四、EXTI实现

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上方是总线和外设接口，输入先遇到边沿检测电路，当上升沿时上升沿触发选择寄存器为1，下降沿时下降沿触发选择寄存器为1，它们两个只要有一个为1，边沿检测电路就可以为通路

之后遇到的这个元器件叫做或门，执行逻辑或的操作，当软件中断事件寄存器和边沿检测电路传来的数据中有一个为1则为1，全为0则为0

然后线路分为两路，左路对应的是事件响应，上路对应的是中断响应

左路连接的元器件叫做与门，执行逻辑与的操作，如果事件屏蔽寄存器和全为1则为1，有一个为0则为0，然后连接到脉冲发生器，脉冲发生器起到将数字信号转变为模拟信号的作用

上路连接请求挂起寄存器，可以通过读取该寄存器知道是哪个通道触发的中断，如果该寄存器置1，就继续往左走，与中断屏蔽寄存器连接到一个与门上，最后连接到中断控制器NVIC执行中断程序

今日分享就到这里了~

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