第 12 屆 iThome 鐵人賽

DAY 7

IoT

熟悉Arduino的Maker必看！30天帶你快速入門基於STM32嵌入式開發~系列第 7 篇

[Day 7]-【STM32系列】淺入淺出之 General Purpose Input/Output 介紹 (上)

12th鐵人賽 stm32 stm32l053r8 arm embedded

SimbaZZ

2020-09-22 06:17:33

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在STM32 CPU的架構裡面，CPU在和其他像是記憶體、DMA...等等的溝通時
資料會經由匯流排傳輸，匯流排就好像一台公交車，大家都得透過公車到達目的地

這很像甚麼？你知道大家的電視是怎麼連到第四台的嗎，概念類似電視台那邊釋出一條大的傳輸線

所有人你爸你媽你兄弟姊妹、子女、公公婆婆、岳父岳母、外公外婆、爺爺奶奶、五叔六嫂，四舅二伯、姑姑三姨、姊夫妹婿、外曾祖父母全部～全部的電視都連到電視台，第四台訊號就是匯流排，上面搭載著電視訊號。

下面一個CPU Bus架構的示意圖

如上圖，CPU(ARM Core)連著AHB(Advanced High-performance Bus) 再和其他RAM、DMA設備等等的這些高速的東西相連，再連到外面的那些周邊的裝置則是APB (Advanced Peripheral Bus)

這兩者有甚麼不同呢？
AHB(Advanced High-performance Bus)主要連接速度非常快、高性能的裝置
APB (Advanced Peripheral Bus)連接GPIO、TIMER這些外部的周邊裝置
CPU及CPU附近的裝置的速度非常非常快
但是周邊的速度遠遠不及CPU這類的速度啊！實在是太慢了！
所以AHB再通過Bridge提供一個慢速的IO裝置

今天準備介紹的GPIO就是屬於周邊的IO裝置，當CPU要跟IO做控制時會經過APB (Advanced Peripheral Bus)連到中間Bridge這個控制器，負責跟CPU溝通最後才到CPU手中。

General Purpose Input/Output (GPIO)-簡介

GPIO(General Purpose Input/Output)是一種泛用型的輸入輸出裝置
可以當LED輸出，像上上篇範例的功能，也可以當按鈕的輸入
馬達控制，控制連續的High、Low變化產生PWM
當USB、USART...等等通訊協定的變化

可以想像是開關，user透過軟體可以自由打開關閉
每個GPIO可以是 input、output、analog或其他功能取決於要如何使用
所以總結來說它是一個通用型的，泛用型的輸入、輸出裝置。

下面是一個內部的結構方塊圖，我們主要看 GPIO PORT的部分

玩過8051的朋友應該知道GPIO就類似於8051的P0~P3
每一組IO都是8位元的暫存器，P0、P1、P2及 P3。

那在STM32L053R8這顆MCU裡面擁有五組GPIO的PORT
GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD和 GPIOH。而每一個PORT有16個bit
但並不是每個腳都是拿來做GPIO用，有些是拿來共用其他的功能，也有些是沒有拉出來的
那主要這塊板子能夠對外做GPIO跟外界溝通的只有GPIOA、GPIOB和GPIOC而已

還記得第二天提到過，現在使用的這塊開發版的腳位相容於Arduino的腳位
但這塊板子太強大了，若是只有使用Arduino的腳位就太浪費了
所以額外又多了更多的腳位
大家可以重新看到下面腳位的資訊

相容於原生Arduino腳位-左排

相容於原生Arduino腳位-右排

完整開發版腳位-左排

完整開發版腳位-右排

最常用的就是那些PB3、4、5或是PA5、6、7把這些IO拉出來做控制，達到我們要的效果
其實在這邊我們就可以看到不管是相容於原生Arduino的腳位還是完整開發版的腳位
每一個IO可能有不只一種功能，那既然一個引腳可以用於輸入、輸出或其他特殊功能
那麼一定有暫存器用來選擇這些功能，這部分後面會談到

STM32L053R8 GPIO特性

所以每個GPIO引腳都可以透過軟體配置輸入輸出是否提供上拉電阻，是設置為開漏（open-drain，漏極開路）或推輓（push-pull）
每個GPIO輸出的速度提供四種選擇（40 MHz，10 MHz，2 MHz，400 kHz）
最大 I/O 切換速度可以支援到 32 MHz
每個 GPIO Port 有 10 個 32-bit 暫存器 (Register)
- GPIOx_MODER, GPIOx_OTYPER, GPIOx_OSPEEDR 與 GPIOx_PUPDR
- GPIOx_IDR and GPIOx_ODR
- GPIOx_BSRR and GPIOx_BRR
- GPIOx_LCKR
- GPIOx_AFRH 與 GPIOx_AFRL

GPIO腳位功能大致上可被設定為input(輸入)、output(輸出)、alternate function(特殊功能,比如pwm,timer,USART等等功能)或analog(類比)

通常在設置output的時候常會見到兩種模式：開漏（open-drain，漏極開路）和推輓（push-pull），這兩種模式差在哪裡呢？

1.Push-Pull推輓輸出

間單來說Push-Pull內部有一個P-MOS和一個N-MOS兩個互補的MOSFET組成，當上面的電晶體導通，下面的電晶體關閉輸出高電位；反之，上面的電晶體截止，下面的電晶體導通，輸出低電位。所以這個Push-Pull的電壓是由自己提供，所以電壓轉換速度快，可以吸電流，也可以貫電流是他的優點。除非有需要高阻抗狀態，否則一般不需要額外的上拉電阻。

2.Open-Drain開漏輸出

Open-Drain就是比Push-Pull少了上面那個電晶體，所以當下面的電晶體關閉，就輸出高電壓，但輸出是開路的，所以要加上拉電阻，則輸出的電壓就是由外界所提供，好處是外部電壓可以自己決定，改變上拉電阻的電壓，就可以調整邏輯High的準位。

Open-Drain 與Push-Pull的電路比較：

名稱 | 電路 | 特點
------------- | -------------
Open-Drain開漏輸出 | | 1.可做電壓轉換-Level shift 2.Vo由外界提供，IC內部僅需很小的閘極驅動電流 3.可改變上拉電阻的電壓，調整邏輯High的準位。
Push-Pull推輓輸出 | | 1.可以吸電流。2.可以灌電流。3.輸出電壓由IC電源決定。

GPIO Mode configuration

可以稍微看過GPIO在不同模式下的原理圖，這些資料可以在RM0367 Reference manual找到

1. Input configuration (P.242, 9.3.9 Input configuration in Reference manual)

When the I/O port is programmed as input:

The output buffer is disabled
The Schmitt trigger input is activated
The pull-up and pull-down resistors are activated depending on the value in the GPIOx_PUPDR register
The data present on the I/O pin are sampled into the input data register every AHB clock cycle
A read access to the input data register provides the I/O state

2. Output configuration (P.242, 9.3.10 Output configuration in Reference manual)

When the I/O port is programmed as output:

The output buffer is enabled:
– Open drain mode: A “0” in the Output register activates the N-MOS whereas a “1” in the Output register leaves the port in Hi-Z (the P-MOS is never activated)
– Push-pull mode: A “0” in the Output register activates the N-MOS whereas a “1” in the Output register activates the P-MOS
The Schmitt trigger input is activated
The pull-up and pull-down resistors are activated depending on the value in the GPIOx_PUPDR register
The data present on the I/O pin are sampled into the input data register every AHB clock cycle
A read access to the input data register gets the I/O state
A read access to the output data register gets the last written value

3. Alternate function configuration (P.244, 9.3.11 Alternate function configuration in Reference manual)

When the I/O port is programmed as alternate function:

The output buffer can be configured in open-drain or push-pull mode
The output buffer is driven by the signals coming from the peripheral (transmitter enable and data)
The Schmitt trigger input is activated
The weak pull-up and pull-down resistors are activated or not depending on the value in the GPIOx_PUPDR register
The data present on the I/O pin are sampled into the input data register every AHB clock cycle
A read access to the input data register gets the I/O state

Note: The alternate function configuration described above is not applied when the selected alternate function is a LCD function. In this case, the I/O, programmed as an alternate function output, is configured as described in the analog configuration.

4.Analog configuration (P.244, 9.3.12 Analog configuration in Reference manual)

When the I/O port is programmed as analog configuration:

The output buffer is disabled
The Schmitt trigger input is deactivated, providing zero consumption for every analog value of the I/O pin. The output of the Schmitt trigger is forced to a constant value (0).
The weak pull-up and pull-down resistors are disabled by hardware
Read access to the input data register gets the value “0”

basic structure (P.237, Figure 22. Basic structure of a five-volt tolerant I/O port bit in Reference manual)

在STM32CubeMX設定引腳時，產生的程式碼中就已經幫我們配置好設定的GPIO的MODER、OTYPER、OSPEEDR、PUPDR這些暫存器。
這邊介紹幾個之後會常用到的GPIO暫存器
8051中要設定P0~P3的數值只需要把1組8位元的值丟給P0~P3，實際上就是在間接控制暫存器
GPIOx的每一組暫存器都是32位元，只需把數值丟到指定的暫存器即可