初识GPIO流水灯

Posted 2023-01-06 Bruceoxl

开发环境：
IDE：MounRiver Studio
开发板：GD32VF103V-EVAL
MCU：GD32VF103VB

2.1 GPIO工作原理

熟悉单片机的朋友都知道，学习的第一个例程就是流水灯，要想实现流水灯，首先必须了解GPIO的工作原理。GPIO的基本结构如下图所示。

GD32 的 IO 口可以由软件配置成如下 8 种模式：
 输入模式
 浮空输入：浮空（floating）就是逻辑器件的输入引脚即不接高电平，也不接低电平。由于逻辑器件的内部结构，当它输入引脚悬空时，相当于该引脚接了高电平。一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。 通俗讲就是让管脚什么都不接，浮空着。信号进入芯片内部后，既没有接上拉电阻也没有接下拉电阻，经由触发器输入。配置成这个模式后，用电压变量引脚电压为1点几伏，这是个不确定值。由于其输入阻抗比较大，一般把这种模式用于标准的通讯协议，比如IIC、USART的等。该模式是GD32复位之后的默认模式。

 上拉输入：上拉就是把电位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，电阻同时起限流作用，弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。上拉输入就是信号进入芯片后加了一个上拉电阻，再经过施密特触发器转换成0、1信号，读取此时的引脚电平为高电平；

 下拉输入：就是把电压拉低，拉到GND。与上拉原理相似。下拉输入就是信号进入芯片后加了一个下拉电阻，再经过施密特触发器转换成0、1信号，读取此时的引脚电平为低电平；

 模拟输入：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。模拟输入是指传统方式的输入，数字输入是输入PCM数字信号，即0、1的二进制数字信号，通过数模转换，转换成模拟信号，经前级放大进入功率放大器，功率放大器还是模拟的。比如传送给ADC模块，由ADC采集电压信号。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。

 输出模式
 开漏输出：一般用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平。输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内)。

 复用开漏输出：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）。端口必须配置成复用开漏功能输出模式。

 推挽式输出：可以输出高、低电平，连接数字器件；推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源决定。推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

 推挽式复用输出

2.2 I/O复用和重映射

2.2.1 I/O复用

GD32 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 复用的。也就是说，一个 GPIO如果可以复用为内置外设的功能引脚，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。当I/O端口被配置为复用功能时：
● 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开
● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)
● 施密特触发输入被激活
● 弱上拉和下拉电阻被禁止
● 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器
● 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态
● 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

大家都知道，MCU 都有串口，GD32 有好几个串口。比如说 GD32VF103RB有5个串口，我们可以查手册知道，串口 0 的引脚对应的 IO 为 PA9,PA10.PA9，PA10 默认功能是 GPIO，所以当PA9,PA10 引脚作为串口0的 TX,RX 引脚使用的时候，那就是端口复用。

关于串口的内容后面的章节会详细讲解。

2.2.2 I/O重映射

为了使不同器件封装的外设 IO 功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上。 GD32 中有很多内置外设的输入输出引脚都具有重映射(remap)的功能。 我们知道每个内置外设都有若干个输入输出引脚，一般这些引脚的输出端口都是固定不变的，为了让设计工程师可以更好地安排引脚的走向和功能，在 GD32中引入了外设引脚重映射的概念，即一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它的端口。

复用功能	USART1_REMAP = 0	USART1_REMAP = 1
USART0_TX	PA9	PB6
USART0_RX	PA10	PB7

从表中可以看出，默认情况下，串口 0复用的时候的引脚位 PA9、PA10，同时我们可以将 TX 和 RX 重新映射到管脚 PB6 和 PB7 上面去。所以重映射我们同样要使能复用功能的时候讲解的 2 个时钟外，还要使能 AFIO 功能时钟，然后要调用重映射函数。

2.3 GPIO流水灯硬件电路分析

发光二极管是属于二极管的一种，具有二级管单向导电特性，即只有在正向电压（二极管的正极接正，负极接负）下才能导通发光。PC0引脚接发光二极管(LED1)的正极，所以PC0引脚输出高电平LED1亮，PC0引脚输出低电平LED1熄灭，其他LED同理。

值得注意的，不同的开发板，LED连接的GPIO一般是不同的，请注意修改。

2.4 GPIO流水灯寄存器分析

要想真正掌握一款单片机，分析寄存器是必不可少，但是对于GD32来再说，GD已经将寄存器操作封装成库函数，开发者只需要调用库函数即可，对于初学者来说，只需学会使用使用函数即可，对于没有基础的读者朋友就不必细究每个寄存器，当学到一定程度，再来一探究竟吧，笔者在这里只是给出GPIO的寄存配置相关配置表，在后面的章节也是如此。好了，继续进入正题吧。
每个GPIO端口都有两个32位配置寄存器(GPIO_CTL0 ，GPIO_CTL1) ，两个16位数据寄存器 (GPIO_ISTAT和GPIO_OCTL)，一个32位置位寄存器(GPIO_BOP)，一个16位复位寄存器(GPIO_BC)，一个16位锁定寄存器(GPIO_LOCK)。每个I/O端口位可以自由编程。
点亮LED，基本步骤是：配置寄存器；控制寄存器。库开发只是将传统的配置方式编程函数，是的单片机开发变得简单方便快捷。
我们常用的 IO 端口寄存器只有 4 个： GPIO_CTL0、GPIO_CTL1、 GPIO_OCTL、 GPIO_BOP。其中GPIO_CTL0、GPIO_CTL1 控制着每个 IO 口的模式及输出速率。

GPIO_CTL0、GPIO_CTL1类似，读者朋友可以参看《GD32VF103_User_Manual》数据输入输出寄存器是将对应的IO口置位，从而进行数据的输入与输出。

图11 GPIO_CTL0寄存器

2.5 GPIO 流水灯实现流程

笔者在上文已经分析了GPIO的原理及操作步骤，现在我们就来写代码吧。
GPIO是开发GD32最基本的配置，所以掌握GPIO的配置显得尤为重要。要实现流水灯，一般步骤可以总结为如下：

1. GPIO 时钟使能；
2. GPIO 端口模式设置；
3. 初始化IO口；
4. 编写处理函数；

2.6 GPIO 流水灯实现

2.6.1 GPIO库函数

GPIO库函数相关的库函数如下：

 gpio_deinit 复位外设GPIO
 gpio_afio_deinit 复位AFIO
 gpio_init GPIO参数初始化
 gpio_bit_set 置位引脚值
 gpio_bit_reset 复位引脚值
 gpio_bit_write 将特定的值写入引脚
 gpio_port_write 将特定的值写入一组端口
 gpio_input_bit_get 获取引脚的输入值
 gpio_input_port_get 获取一组端口的输入值
 gpio_output_bit_get 获取引脚的输出值
 gpio_output_port_get 获取一组端口的输出值
 gpio_pin_remap_config 配置GPIO引脚重映射
 gpio_exti_source_select 选择哪个引脚作为EXTI源
 gpio_event_output_config 配置事件输出
 gpio_event_output_enable 事件输出使能
 gpio_event_output_disable 事件输出禁能
 gpio_pin_lock 相应的引脚配置被锁定

2.6.2流水灯代码实现
核心代码如下：

/* Includes*********************************************************************/
#include "gd32vf103.h"
#include "gd32vf103v_systick_eval.h"
#include "gd32vf103v_led_eval.h"


/*!
    \\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 toggle LED1*/
        led_toggle(LED1);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);

        /* turn toggle LED2*/
        led_toggle(LED2);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);

        /* turn toggle LED3*/
        led_toggle(LED3);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);

        /* turn toggle LED4*/
        led_toggle(LED4);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);
    

代码还是比较简单的，首先开启GPIO的时钟，然后对GPIO初始化，主要是设置模式和速率，然后就可以控制GPIO高低电平了。

2.7实验现象

将编译好的程序下载到板子中，可以看到四个LED灯依次闪烁。

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