GPIO概念

学习目标

• 了解mos管的使用
• 了解GPIO输出模式
• 了解GPIO输入模式
• 理解ARM系列GPIO相关理论
• 掌握GD32几种GPIO工作模式编码实现

  学习内容

  基础概念

  GPIO，全称为“通用输入/输出”（General Purpose Input/Output），是计算机系统中用于与外部世界进行数字通信的一种接口标准。它允许硬件和软件通过电信号来交换数据，控制外部设备或接收外部事件。GPIO通常用于连接各种外设，如按钮、LED灯、传感器、马达、继电器等，以便与计算机系统进行交互。
  GPIO具备一些特性：

1. 通用性：GPIO是通用的，意味着它们可以在不同类型的硬件平台上使用，而不必修改底层电路。这种通用性使得开发人员能够设计和编写与硬件无关的代码，实现跨平台的应用。
2. 输入和输出：每个GPIO引脚都可以被配置为输入或输出。当配置为输入时，引脚用于接收外部信号，例如按钮状态或传感器读数。当配置为输出时，引脚用于控制外部设备，例如点亮LED或控制马达运动。
3. 数字信号：GPIO是数字信号接口，这意味着它们只能传输二进制值（0和1）。通过在引脚之间切换电压，可以传递这些数字值，从而实现数据传输和通信。
4. 控制：操作系统或应用程序可以通过读取或写入GPIO引脚来控制外部设备。通过设置输出引脚的电平（高电平或低电平），可以打开或关闭连接的设备。
5. 事件触发：GPIO引脚可以用于检测外部事件。例如，一个传感器可能连接到GPIO引脚上，当传感器检测到特定条件时，它会改变引脚的状态，从而触发系统中的相应操作。
6. 引脚编号：每个GPIO引脚都有一个唯一的编号，通常用数字或字母和数字的组合来表示。在不同的硬件平台上，引脚编号可能会有所不同。
7. 驱动程序和库：为了在操作系统中使用GPIO，通常需要适当的驱动程序或库。这些驱动程序或库可以帮助应用程序与硬件进行交互，读取和写入GPIO引脚的状态。

   背景知识

   MOS管

   MOS管有NMOS和PMOS两种类型。MOS管包含了三个极：

• gate：栅极，缩写G
• drain：漏极，缩写D
• source：源极，缩写S

MOS管的作用就是开关，通过栅极控制漏极和源极的导通。

mos管主要关注两个点：

1. 控制。负责mos管导通和不导通，高电平导通还是低电平导通。
2. 流向。是从漏极流向源极，还是从源极流向漏极。

NMOS

特点：

1. 给栅极输入高电平时，mos管导通；给栅极输入低电平时，mos管断开；
2. 导通时，方向是由漏极到源极；

通常NMOS的使用示例：

注意：

1. nmos需要下拉电阻；
2. nmos的开关线路上的消耗物必须放到漏极侧；

PMOS

特点：

1. 给栅极输入高电平时，mos管断开；给栅极输入低电平时，mos管导通；
2. 导通时，方向是由源极到漏极；

注意：

1. pmos需要上拉电阻；
2. pmos的开关线路上的消耗物必须放到漏极侧；

GPIO输出模式

推挽输出

基本的示意图如上，作为编程人员，我们更多关注的是下图：

我们希望的是，通过寄存器控制外部引脚的高低电平。

1. 寄存器的配置高电平，外部引脚输出高电平
2. 寄存器的配置低电平，外部引脚输出低电平

上图为简略图，这里提供一个详细的图：

上图过于复杂，在分析结果道理后，为了方便观察，我们看下图：

加上外部电路，我们理解以下推挽中的推是什么：

推挽中的挽是什么：

总结，寄存器控制输出低电平时，外部引脚为低；寄存器控制输出高电平时，外部引脚为高。

开漏输出

基本的示意图如上，作为编程人员，我们更多关注的是下图：

我们希望的是，通过寄存器控制外部引脚的高低电平。

1. 寄存器的配置高电平，外部引脚断开。
2. 寄存器的配置低电平，外部引脚输出低电平。

上图为简略图，这里提供一个详细的图：

上图过于复杂，在分析结果道理后，为了方便观察，我们简化看下图：

加上外部电路，我们理解一下开漏输出中的开是什么：

这里存在一个问题，开漏输出时，如果给高电平，外接的灯是不会亮的，因此开漏状态下我们需要进行上拉，如下所示：

我们理解一下开漏输出中的漏是什么：

高阻态

高阻态表示，不输出任何高低电平。

无论寄存器输出高或者低，外部引脚始终断开。
内部详细电路为：

高阻态是断路状态，无论外部上拉下拉，都不会导通。

GPIO输出线与

将两个外部引脚接到一起，我们称之为线与。

推挽线与

推挽过程中，如果一方输出高，一方输出低，则会烧芯片。
因此，推挽是不可以线与的。不能线与，说明不可以和其他芯片同时采用推挽这种方式连接，否则会出现问题。

开漏线与

开漏过程中，无论双方输出高低电平，芯片都不会收到影响。I2C就是线与的一个实例。

GPIO输入模式

上图为GPIO输入的基本示意图，其中包含了上拉电路，下拉电路，模拟信号处理，数字逻辑信号接收。

TTL（Transistor-Transistor Logic）施密特触发器是一种数字电路元件，常用于去除输入信号的噪声和抖动，并提供稳定的输出信号。它的作用在于消除输入信号的不稳定性，确保在输入信号发生变化时，输出信号能够产生可靠的、干净的转换。 TTL施密特触发器的主要作用有以下几个方面：

1. 消除噪声和抖动：在数字电路中，输入信号可能受到噪声的干扰或产生抖动（快速的信号变化）。这可能导致触发器在边沿变化时产生不稳定的输出。TTL施密特触发器使用了一个双阈值比较器，只有当输入信号超过一定的阈值范围时，才会引发输出状态变化。这样可以防止在噪声或抖动情况下触发误动作。
2. 提供干净的信号转换：TTL施密特触发器能够确保输入信号的干净转换，即使输入信号存在一些不稳定性或较慢的上升/下降时间。它的阈值范围内，输入信号的微小变化都不会引起输出变化，从而产生更加可靠的输出信号。
3. 信号整形：TTL施密特触发器可用于整形输入信号的波形。如果输入信号具有不规则的上升和下降时间，触发器可以将其整形为规整的方波信号，以便后续电路处理。
4. 边沿检测器：由于TTL施密特触发器对输入信号的变化非常敏感，它常被用作边沿检测器。当输入信号的上升沿或下降沿发生变化时，触发器可以产生输出脉冲，用于触发其他数字电路中的特定操作。

总之，我们简单的理解就是，输入的电压值被转化为了逻辑的0和1.

浮空输入

浮空输入，就是将模拟信号，上拉，下拉全部断开。只接收外部电路的输入信号。
这里会存在一个问题，如果外部没有输入信号，那么这个逻辑信号是未知的，不确定的。

上拉输入

上拉输入，就是将模拟信号，下拉全部断开，同时将上拉开关打开。然后接收外部电路的输入信号。
当外部输入高电平时，如下图：

当外部接入地时，如下图：

上拉输入的一些总结：
当输入信号未连接时，上拉电阻将确保输入信号保持在高电平状态，从而避免浮空输入。当外部信号连接到输入引脚时，外部信号可以通过上拉电阻的电流被拉低到低电平。

下拉输入

下拉输入，就是将模拟信号，上拉全部断开，同时将下拉开关打开。然后接收外部电路的输入信号。
当外部输入高电平时，如下图：

当外部接入地时，如下图：

下拉输入的一些总结：
当输入信号未连接时，下拉电阻将确保输入信号保持在低电平状态，从而避免浮空输入。当外部信号连接到输入引脚时，外部信号可以通过下拉电阻的电流被拉高到高电平。

模拟输入

模拟输入的内部结构如上图。
在真实的物理世界中，我们外部输入的是电压值，这个属于模拟信号。其他的几种输入就是把模拟信号变为逻辑的0和1。通常输入的电压在1v以下我们认为是逻辑的0，1v以上是逻辑的1。（不同的芯片处理信号方式不同，这里简单的举例为1v上下）。
模拟输入的是物理世界中的真实电压，模拟信号的处理不同与逻辑电路的转换，逻辑转换只有两种值。模拟信号则是线性的值，电压多大，就转换一个数字值，也就是将物理世界中的模拟数据转换为数字值，这个值是线性，有范围的。

ARM系列GPIO

以上为完整的结构图。

寄存器

GPIO的寄存器大体上分为一下几种：

1. 配置寄存器：配置输入输出，上拉下拉
2. 数据寄存器：读取输入输出的状态
3. 复位寄存器：输出高低电平
4. 复用寄存器：配置复用功能

   保护二极管

   在线与，或者电压过大的情况下，将电压进行钳制，防止芯片烧毁。(当然这个是有限度的，得参考芯片手册内部的二极管特性)。

   GPIO工作模式

   | 模式 | 性质 | | —- | —- | | 浮空输入 | 数字输入 | | 上拉输入 | 数字输入 | | 下拉输入 | 数字输入 | | 模拟输入 | 模拟输入 | | 开漏输出 | 数字输出 | | 推挽输出 | 数字输出 | | 复用开漏输出 | 数字输出 | | 复用推挽输出 | 数字输出 |

GD32/STM32系列GPIO工作模式

浮空输入

// 时钟初始化
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
// 配置GPIO模式
gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）
• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

  上拉输入

  

  // 时钟初始化
  rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
  // 配置GPIO模式
  gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

  下拉输入

  

  // 时钟初始化
  rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
  // 配置GPIO模式
  gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_PULLDOWN, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

  模拟输入

  

  // 时钟初始化
  rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
  // 配置GPIO模式
  gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_ANALOG, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

  推挽输出

  

  // 1. 时钟初始化
  rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
  // 2. 配置GPIO 输入输出模式
  gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_x);
  // 3. 配置GPIO 模式的操作方式
  gpio_output_options_set(GPIOx, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_MAX, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

  开漏输出

  

  // 1. 时钟初始化
  rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
  // 2. 配置GPIO 输入输出模式
  gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_x);
  // 3. 配置GPIO 模式的操作方式
  gpio_output_options_set(GPIOx, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_MAX, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）
• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

通常开漏时，需要外部上拉，当然内部电路也可以控制上拉。

复用推挽输出

// 1. 时钟初始化
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
// 2. 配置GPIO 输入输出模式
gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_x);
// 3. 配置GPIO 模式的操作方式
gpio_output_options_set(GPIOx, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_MAX, GPIO_PIN_x);
// 4. 复用功能
gpio_af_set(GPIOx, GPIO_MODE_AF, GPIO_AF_x, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）
• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）
• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)

• GPIO_AF_x：具体复用什么功能。(0-15)

  复用开漏输出

  

  // 1. 时钟初始化
  rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOx);
  // 2. 配置GPIO 输入输出模式
  gpio_mode_set(GPIOx, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_x);
  // 3. 配置GPIO 模式的操作方式
  gpio_output_options_set(GPIOx, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_MAX, GPIO_PIN_x);
  // 4. 复用功能
  gpio_af_set(GPIOx, GPIO_MODE_AF, GPIO_AF_x, GPIO_PIN_x);

• RCU_GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）

• GPIOx: 具体是哪个端口。（A,B,C,D,E,F,G,H,I）
• GPIO_PIN_x：具体是哪个引脚。(0~15)
• GPIO_AF_x：具体复用什么功能。(0-15)

通常开漏时，需要外部上拉，当然内部电路也可以控制上拉。

练习题

1. 实现多种输出模式下的点灯，体会输出模式。
2. 实现按键输入，测试输入模式。