《嵌入式 – GD32開發實戰指南》第2章 初識GPIO流水燈

開發環境：

MDK：Keil 5.30

MCU：GD32F207IK

2.1 GPIO工作原理

熟悉單片機的朋友都知道，學習的第一個例程就是流水燈，要想實作流水燈，首先必須了解GPIO的工作原理。GPIO的基本結構如下圖所示。

GD32 的 IO 口可以由軟體配置成如下 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。由于邏輯器件的内部結構，當它輸入引腳懸空時，相當于該引腳接了高電平。一般實際運用時，引腳不建議懸空，易受幹擾。 通俗講就是讓管腳什麼都不接，浮空着。信号進入晶片内部後，既沒有接上拉電阻也沒有接下拉電阻，經由觸發器輸入。配置成這個模式後，用電壓變量引腳電壓為1點幾伏，這是個不确定值。由于其輸入阻抗比較大，一般把這種模式用于标準的通訊協定，比如IIC、USART的等。該模式是GD32複位之後的預設模式。

 上拉輸入：上拉就是把電位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通過一個電阻嵌位在高電平，電阻同時起限流作用，弱強隻是上拉電阻的阻值不同，沒有什麼嚴格區分。上拉輸入就是信号進入晶片後加了一個上拉電阻，再經過施密特觸發器轉換成0、1信号，讀取此時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。下拉輸入就是信号進入晶片後加了一個下拉電阻，再經過施密特觸發器轉換成0、1信号，讀取此時的引腳電平為低電平；

 模拟輸入：信号進入後不經過上拉電阻或者下拉電阻，關閉施密特觸發器，經由另一線路把電壓信号傳送到片上外設子產品。模拟輸入是指傳統方式的輸入，數字輸入是輸入PCM數字信号，即0、1的二進制數字信号，通過數模轉換，轉換成模拟信号，經前級放大進入功率放大器，功率放大器還是模拟的。比如傳送給ADC子產品，由ADC采集電壓信号。是以可以了解為模拟輸入的信号是未經處理的信号，是原汁原味的信号。

 輸出模式

 開漏輸出：一般用在電平不比對的場合，如需要輸出5V的高電平。輸出端相當于三極管的集電極，要得到高電平狀态需要上拉電阻才行。适合于做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20mA以内)。

 複用開漏輸出：可以了解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（即并非作為通用IO口使用）。端口必須配置成複用開漏功能輸出模式。

 推挽式輸出：可以輸出高、低電平，連接配接數字器件；推挽結構一般是指兩個三極管分别受兩個互補信号的控制，總是在一個三極管導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源決定。推挽電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負責正負半周的波形放大任務，電路工作時，兩隻對稱的功率開關管每次隻有一個導通，是以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

 推挽式複用輸出

2.2 I/O複用和重映射

2.2.1 I/O複用

GD32 有很多的内置外設，這些外設的外部引腳都是與 GPIO 複用的。也就是說，一個 GPIO如果可以複用為内置外設的功能引腳，那麼當這個 GPIO 作為内置外設使用的時候，就叫做複用。當I/O端口被配置為複用功能時：

● 在開漏或推挽式配置中，輸出緩沖器被打開

● 内置外設的信号驅動輸出緩沖器(複用功能輸出)

● 施密特觸發輸入被激活

● 弱上拉和下拉電阻被禁止

● 在每個APB2時鐘周期，出現在I/O腳上的資料被采樣到輸入資料寄存器

● 開漏模式時，讀輸入資料寄存器時可得到I/O口狀态

● 在推挽模式時，讀輸出資料寄存器時可得到最後一次寫的值

大家都知道，MCU 都有序列槽，GD32 有好幾個序列槽。比如說 GD32F207IK有 8個序列槽，我們可以查手冊知道，序列槽 0 的引腳對應的 IO 為 PA9,PA10.PA9， PA10 預設功能是 GPIO， 是以當PA9,PA10 引腳作為序列槽0的 TX,RX 引腳使用的時候，那就是端口複用。

引腳	pin
}USART0_TX	PA9
USART0_RX	PA10

關于序列槽的内容後面的章節會詳細講解。

2.2.2 I/O重映射

為了使不同器件封裝的外設 IO 功能數量達到最優，可以把一些複用功能重新映射到其他一些引腳上。 GD32 中有很多内置外設的輸入輸出引腳都具有重映射(remap)的功能。 我們知道每個内置外設都有若幹個輸入輸出引腳，一般這些引腳的輸出端口都是固定不變的，為了讓設計工程師可以更好地安排引腳的走向和功能，在 GD32中引入了外設引腳重映射的概念，即一個外設的引腳除了具有預設的端口外，還可以通過設定重映射寄存器的方式，把這個外設的引腳映射到其它的端口。

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

從表中可以看出，預設情況下，序列槽 0複用的時候的引腳位 PA9、PA10，同時我們可以将 TX 和 RX 重新映射到管腳 PB6 和 PB7 上面去。是以重映射我們同樣要使能複用功能的時候講解的 2 個時鐘外，還要使能 AFIO 功能時鐘，然後要調用重映射函數。

2.3 GPIO流水燈硬體電路分析

發光二極管是屬于二極管的一種，具有二級管單向導電特性，即隻有在正向電壓（二極管的正極接正，負極接負）下才能導通發光。PF6引腳接發光二極管(LED1)的正極，是以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，不同的開發闆，LED連接配接的GPIO一般是不同的，請注意修改。

2.4 GPIO流水燈寄存器分析

要想真正掌握一款單片機，分析寄存器是必不可少，但是對于GD32來再說，GD已經将寄存器操作封裝成庫函數，開發者隻需要調用庫函數即可，對于初學者來說，隻需學會使用使用函數即可，對于沒有基礎的讀者朋友就不必細究每個寄存器，當學到一定程度，再來一探究竟吧，筆者再這裡隻是給出GPIO的寄存配置相關配置表，在後面的章節也是如此。好了，繼續進入正題吧。

每個GPIO端口都有兩個32位配置寄存器(GPIO_CTL0 ，GPIO_CTL1) ，兩個16位資料寄存器 (GPIO_ISTAT和GPIO_OCTL)，一個32位置位寄存器(GPIO_BOP)，一個16位複位寄存器(GPIO_BC)，一個16位鎖定寄存器(GPIO_LOCK)。每個I/O端口位可以自由程式設計。

點亮LED，基本步驟是：配置寄存器；控制寄存器。庫開發隻是将傳統的配置方式程式設計函數，是的單片機開發變得簡單友善快捷。

我們常用的 IO 端口寄存器隻有 4 個： GPIO_CTL0、GPIO_CTL1、 GPIO_OCTL、 GPIO_BOP。其中GPIO_CTL0、GPIO_CTL1 控制着每個 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》資料輸入輸出寄存器是将對應的IO口置位，進而進行資料的輸入與輸出。

2.5 GPIO 流水燈實作流程

筆者在上文已經分析了GPIO的原理及操作步驟，現在我們就來寫代碼吧。

GPIO是開發GD32最基本的配置，是以掌握GPIO的配置顯得尤為重要。要實作流水燈，一般步驟可以總結為如下：

1)GPIO 時鐘使能；

2)GPIO 端口模式設定；

3)初始化IO口；

4)編寫處理函數；

2.6 GPIO 流水燈實作

2.6.1 GPIO庫函數

GPIO庫函數相關的庫函數如下：

 gpio_deinit 複位外設GPIO

 gpio_afio_deinit 複位AFIO

 gpio_init GPIO參數初始化

 gpio_bit_set 置位引腳值

 gpio_bit_reset 複位引腳值

 gpio_bit_write 将特定的值寫入引腳

 gpio_port_write 将特定的值寫入一組端口

 gpio_input_bit_get 擷取引腳的輸入值

 gpio_input_port_get 擷取一組端口的輸入值

 gpio_output_bit_get 擷取引腳的輸出值

 gpio_output_port_get 擷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 選擇哪個引腳作為EXTI源

 gpio_ethernet_phy_select 以太網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 相應的引腳配置被鎖定

2.6.2流水燈代碼實作

核心代碼如下：

/* Includes*********************************************************************/
#include "gd32f20x.h"

/*簡單延時函數*/
void delay(uint32_t xms); 

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    /* enable the LEDs GPIO clock */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOF);

    /* configure LED1 GPIO port */
    gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);
    /* reset LED1 GPIO pin */
    gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_6);

    /* configure LED2 GPIO port */
    gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_7);
    /* reset LED2 GPIO pin */
    gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_7);

    /* configure LED3 GPIO port */
    gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_8);
    /* reset LED3 GPIO pin */
    gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_8);

    /* configure LED4 GPIO port */
    gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9);
    /* reset LED4 GPIO pin */
    gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_9);

    while(1) 
  {
        /* turn on LED1, turn off LED4 */
        gpio_bit_set(GPIOF, GPIO_PIN_6);
        gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_9);
        /*delay about 500ms*/
       delay(0xffffff);


        /* turn on LED2, turn off LED1 */
        gpio_bit_set(GPIOF, GPIO_PIN_7);
        gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_6);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);


        /* turn on LED3, turn off LED2 */
        gpio_bit_set(GPIOF, GPIO_PIN_8);
        gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_7);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);


        /* turn on LED4, turn off LED3 */
        gpio_bit_set(GPIOF, GPIO_PIN_9);
        gpio_bit_reset(GPIOF, GPIO_PIN_8);
        /*delay about 500ms*/
        delay(0xffffff);

    }
}

/**
  * @brief  延時函數
  * @param  
            xms 延時長度
  * @retval None
  */
void delay( uint32_t xms) 
{
  //for(; nCount != 0; nCount--);（方法一）
  while(xms--);//（方法二）
}      

代碼還是比較簡單的，首先開啟GPIO的時鐘，然後對GPIO初始化，主要是設定模式和速率，然後就可以控制GPIO高低電平了。

2.7實驗現象

将編譯好的程式下載下傳到闆子中，可以看到四個LED燈不同地閃爍。

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