CKS32F107系列MCU的GPIO內(nèi)部結(jié)果分析

時(shí)間：2024-08-20 10:24:05

關(guān)鍵字： GPIO CKS32 芯片

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]GPIO是通用輸入輸出端口的簡稱，也是CKS32可控制的引腳，CKS32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來，從而實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。

GPIO簡介

GPIO是通用輸入輸出端口的簡稱，也是CKS32可控制的引腳，CKS32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來，從而實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。CKS32芯片的GPIO被分成很多組，每組有16個(gè)引腳，如型號(hào)為CKS2F107VET6型號(hào)的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC至GPIOE共5組GPIO，芯片一共100個(gè)引腳，其中GPIO就占了一大部分，所有的GPIO引腳都有基本的輸入輸出功能。

最基本的輸出功能是由CKS32控制引腳輸出高、低電平，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，如把GPIO引腳接入到LED燈，那就可以控制LED燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極管，那就可以通過繼電器或三極管控制外部大功率電路的通斷。最基本的輸入功能是檢測(cè)外部輸入電平，如把 GPIO引腳連接到按鍵，通過電平高低區(qū)分按鍵是否被按下。

GPIO框圖結(jié)構(gòu)分析

CKS32F107系列MCU的GPIO內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示，通過GPIO硬件結(jié)構(gòu)框圖，可以從整體上深入了解GPIO外設(shè)及它的各種應(yīng)用模式。該圖從最右端看起，最右端就是代表 MCU引出的 GPIO引腳，其余部件都位于MCU芯片內(nèi)部。

圖1 GPIO硬件結(jié)構(gòu)框圖

序號(hào)①是引腳的兩個(gè)保護(hù)二級(jí)管，可以防止引腳外部過高或過低的電壓輸入，當(dāng)引腳電壓高于VDD時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通，當(dāng)引腳電壓低于VSS時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀。盡管有這樣的保護(hù)，并不意味著CKS32的GPIO能直接外接大功率驅(qū)動(dòng)器件，如直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)可能會(huì)造成電機(jī)不轉(zhuǎn)或者導(dǎo)致芯片燒壞，必須要在GPIO和電機(jī)之間增加大功率及隔離電路驅(qū)動(dòng)。

序號(hào)②是GPIO引腳線路經(jīng)過兩個(gè)保護(hù)二極管后，下方“輸出模式”電路中的一個(gè)由P-MOS和N-MOS管組成的結(jié)構(gòu)單元。這個(gè)結(jié)構(gòu)使GPIO具有了“推挽輸出”和“開漏輸出”兩種模式，輸出模式是根據(jù)這兩個(gè)MOS管的工作方式來命名的。在該結(jié)構(gòu)中輸入高電平時(shí)，經(jīng)過反向后，上方的P-MOS導(dǎo)通，下方的N-MOS關(guān)閉，對(duì)外輸出高電平;而在該結(jié)構(gòu)中輸入低電平時(shí)，經(jīng)過反向后，N-MOS管導(dǎo)通，P-MOS關(guān)閉，對(duì)外輸出低電平。當(dāng)引腳高低電平切換時(shí)，兩個(gè)管子輪流導(dǎo)通，P管負(fù)責(zé)灌電流，N管負(fù)責(zé)拉電流，使其負(fù)載能力和開關(guān)速度都比普通的方式有很大的提高。推挽輸出的低電平為0伏，高電平為3.3伏，推挽等效電路如下圖(左)。推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為0和3.3伏而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場合。在實(shí)際應(yīng)用中，除了必須用開漏模式的場合，一般都習(xí)慣使用推挽輸出模式。

圖2 GPIO硬件結(jié)構(gòu)框圖

在開漏輸出模式時(shí)，上方的P-MOS管完全不工作。如果我們控制輸出為0低電平，則 P-MOS管關(guān)閉，N-MOS管導(dǎo)通，使輸出接地，若控制輸出為1 (它無法直接輸出高電平) 時(shí)，則P-MOS管和N-MOS管都關(guān)閉，所以引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態(tài)，因此正常使用時(shí)必須外部接上拉電阻。開漏等效電路如上圖(右)，它具有“線與”特性，若有很多個(gè)開漏模式引腳連接到一起時(shí)，只有當(dāng)所有引腳都輸出高阻態(tài)，才由上拉電阻提供高電平。若其中一個(gè)引腳為低電平，那線路就相當(dāng)于短路接地，使得整條線路都為低電平0伏。開漏輸出一般應(yīng)用在I2C、SMBUS通訊等需要“線與”功能的總線電路中。除此之外，還用在電平不匹配的場合，如需要輸出5伏的高電平，就可以在外部接一個(gè)上拉電阻，上拉電源為5伏，并且把GPIO設(shè)置為開漏模式，當(dāng)輸出高阻態(tài)時(shí)，由上拉電阻和電源向外輸出5伏的電平。

序號(hào)③是GPIO輸出數(shù)據(jù)寄存器組，前面提到的雙MOS管結(jié)構(gòu)電路輸入信號(hào)，就是由這個(gè)寄存器組中的GPIOx_ODR提供的，因此我們通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值就可以修改GPIO引腳的輸出電平。而“置位/復(fù)位寄存器GPIOx_BSRR”可以通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值從而影響電路的輸出。

序號(hào)④是連接MCU片內(nèi)外設(shè)和GPIO引腳的復(fù)用功能輸出模塊，通過此功能可以將GPIO引腳用作指定外設(shè)功能的一部分，算是GPIO的第二用途。從其它外設(shè)引出來的“復(fù)用功能輸出信號(hào)”與GPIO本身的數(shù)據(jù)據(jù)寄存器都連接到雙MOS管結(jié)構(gòu)的輸入中，通過內(nèi)部開關(guān)切換選擇。例如我們使用USART串口通訊時(shí)，需要用到某個(gè)GPIO引腳作為通訊發(fā)送引腳，這個(gè)時(shí)候就可以把該GPIO引腳配置成USART串口復(fù)用功能，由串口外設(shè)控制該引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。

序號(hào)⑤是輸入數(shù)據(jù)寄存器組，位于GPIO結(jié)構(gòu)框圖的上半部分，GPIO引腳經(jīng)過內(nèi)部的上、下拉電阻，可以配置成上/下拉輸入，然后再連接到施密特觸發(fā)器，信號(hào)經(jīng)過觸發(fā)器后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0/1數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在“輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR”中，通過讀取該寄存器就可以獲取GPIO引腳的電平狀態(tài)。

序號(hào)⑥是連接MCU片內(nèi)外設(shè)和GPIO引腳的復(fù)用功能輸入模塊，與序號(hào)④類似，在“復(fù)用功能輸入模式”時(shí)，GPIO引腳的信號(hào)傳輸?shù)街付ㄆ瑑?nèi)外設(shè)，由該外設(shè)讀取引腳狀態(tài)。例如我們使用USART串口通訊時(shí)，需要用到某個(gè)GPIO引腳作為通訊接收引腳，這個(gè)時(shí)候就可以把該GPIO引腳配置成USART串口復(fù)用功能，由串口外設(shè)控制該引腳接收外部數(shù)據(jù)。

序號(hào)⑦是用于ADC采集電壓輸入通道的專用“模擬輸入”功能，由于ADC外設(shè)要采集到原始的模擬信號(hào)，所以輸入信號(hào)不經(jīng)過施密特觸發(fā)器，因?yàn)榻?jīng)過施密特觸發(fā)器后信號(hào)只有0/1兩種狀態(tài)。類似地，當(dāng)GPIO引腳作為“模擬輸出”功能用于DAC模擬電壓輸出通道時(shí)，模擬信號(hào)輸出也不經(jīng)過雙MOS管結(jié)構(gòu)而直接輸出到GPIO引腳。

GPIO工作模式總結(jié)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)分析，可以總結(jié)出在固件庫中GPIO可以配置成如下8種工作模式，且大致歸為三類。

//Configuration Mode enumeration

typedef enum

GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模擬輸入

GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空輸入

GPIO_Mode_IPD = 0x28, //下拉輸入

GPIO_Mode_IPU = 0x48, //上拉輸入

GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //開漏輸出

GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //推挽輸出

GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //復(fù)用開漏輸出

GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //復(fù)用推挽輸出

} GPIOMode_TypeDef;

第一類是輸入模式(模擬/浮空/上拉/下拉)，在輸入模式時(shí)，施密特觸發(fā)器打開，輸出被禁止，可通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR讀取I/O狀態(tài)。其中輸入模式，可設(shè)置為上拉、下拉、浮空和模擬輸入四種。上拉和下拉輸入很好理解，默認(rèn)的電平由上拉或者下拉決定。浮空輸入的電平是不確定的，完全由外部的輸入決定，一般接按鍵的時(shí)候用的是這個(gè)模式。模擬輸入則專用于ADC采集。

第二類是輸出模式(推挽/開漏)，在推挽模式時(shí)雙MOS管以輪流方式工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR可控制I/O輸出高低電平。開漏模式時(shí)，只有N-MOS管工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器可控制I/O輸出高阻態(tài)或低電平。輸出速度可配置，此處的輸出速度即I/O支持的高低電平狀態(tài)最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大。在輸出模式時(shí)施密特觸發(fā)器是打開的，即輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實(shí)際狀態(tài)。

第三類是復(fù)用功能模式(推挽/開漏)，復(fù)用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏及推挽模式，但是輸出信號(hào)源于其它外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無效;輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實(shí)際狀態(tài)，但一般直接用外設(shè)的寄存器來獲取該數(shù)據(jù)信號(hào)。

以上各類型的GPIO口每一個(gè)都可以自由編程，此外，CKS32F107的很多IO口都是5V兼容的，這些IO口在與5V電平的外設(shè)連接的時(shí)候很有優(yōu)勢(shì)，具體哪些IO口是5V兼容的，可以從該芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)管腳描述章節(jié)查到(I/O Level標(biāo)FT的就是5V電平兼容的)。

GPIO寄存器

CKS32的GPIO口寄存器必須要按32位字被訪問，每個(gè)IO端口都有7個(gè)寄存器來控制。分別是：配置模式的2個(gè)32位的端口配置寄存器CRL和CRH;2個(gè)32位的數(shù)據(jù)寄存器IDR和ODR;1個(gè)32位的置位/復(fù)位寄存器BSRR;一個(gè)16位的復(fù)位寄存器BRR;1個(gè)32位的鎖存寄存器LCKR。如果想要了解每個(gè)寄存器的詳細(xì)使用方法，可以參考《CKS32F107參考手冊(cè)》。

(1)CRL和CRH控制著每個(gè)IO口的模式及輸出速率,本文以CRL為例，看看端口低配置寄存器的描述，如下圖所示。該寄存器的復(fù)位值為0x44444444，從圖中可以看到，復(fù)位值其實(shí)就是配置端口為浮空輸入模式。從下圖還可以得出：CRL控制著每組IO端口的低8位模式。每個(gè)IO端口的位占用CRL的4個(gè)位，高兩位為CNF，低兩位為MODE。這里我們可以記住幾個(gè)常用的配置，比如0x0表示模擬輸入模式(ADC用)、0x3表示推挽輸出模式(做輸出口用，50M速率)、0x8表示上/下拉輸入模式(做輸入口用)、0xB表示復(fù)用輸出(使用IO口的第二功能，50M速率)。CRH的作用和CRL完全一樣，只是CRL控制的是低8位輸出口，而CRH控制的是高8位輸出口。這里我們對(duì)CRH就不做詳細(xì)介紹了。

圖3 GPIOx_CRL寄存器

(2)IDR是一個(gè)端口輸入數(shù)據(jù)寄存器，低16位有效。該寄存器為只讀寄存器，并且只能以16位的形式讀出。該寄存器各位的描述如下圖所示：

圖4 GPIOx_CRL寄存器

(3)ODR是一個(gè)端口輸出數(shù)據(jù)寄存器，也只用了低16位。該寄存器為可讀寫，從該寄存器讀出來的數(shù)據(jù)可以用于判斷當(dāng)前IO口的輸出狀態(tài)。而向該寄存器寫數(shù)據(jù)，則可以控制某個(gè)IO口的輸出電平。該寄存器的各位描述如下圖所示：

圖5 GPIOx_CRL寄存器

(4)BSRR寄存器是端口位設(shè)置/清除寄存器。該寄存器和ODR寄存器具有類似的作用，都可以用來設(shè)置GPIO端口的輸出位是1還是0。

圖6 GPIOx_CRL寄存器

通過固件庫操作GPIO

CKS32F107系列GPIO相關(guān)的函數(shù)和定義分布在固件庫文件cks32f10x_gpio.c和頭文件 cks32f10x_gpio.h文件中。在固件庫開發(fā)中，操作寄存器CRH和CRL來配置IO口的模式和速度是通過GPIO初始化函數(shù)完成的。

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

這個(gè)函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是用來指定GPIO，取值范圍為GPIOA~GPIOG。第二個(gè)參數(shù)為初始化參數(shù)結(jié)構(gòu)體指針，結(jié)構(gòu)體類型為GPIO_InitTypeDef。結(jié)構(gòu)體的定義如下：

typedef struct

uint16_t GPIO_Pin;

GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;

GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;

}GPIO_InitTypeDef;

下面通過一個(gè)GPIO初始化實(shí)例來講解這個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員變量的含義。代碼的意思是設(shè)置GPIOB的第5個(gè)端口為推挽輸出模式，同時(shí)速度為50M。結(jié)構(gòu)體GPIO_InitStructure的第一個(gè)成員變量GPIO_Pin用來設(shè)置是要初始化哪個(gè)或者哪些IO口;第二個(gè)成員變量GPIO_Mode是用來設(shè)置對(duì)應(yīng)IO端口的輸出輸入模式;第三個(gè)參數(shù)是IO口速度設(shè)置。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PB5端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //速度50MHz

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //根據(jù)設(shè)定參數(shù)配置 GPIO

在固件庫中操作IDR寄存器讀取IO端口數(shù)據(jù)是通過GPIO_ReadInputDataBit函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。比如我要讀GPIOA5的電平狀態(tài)，那么方法是：

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);

在固件庫中設(shè)置ODR寄存器的值來控制IO口的輸出狀態(tài)是通過函數(shù)GPIO_Write來實(shí)現(xiàn)的，該函數(shù)一般用來一次性往一個(gè)GPIO的多個(gè)端口設(shè)值。

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

該寄存器通過舉例子可以很清楚了解它的使用方法。例如你要設(shè)置GPIOA的第1個(gè)端口值為1，那么你只需要往寄存器BSRR的低16位對(duì)應(yīng)位寫1即可。該寄存器往相應(yīng)位寫0是無影響的，所以我們要設(shè)置某些位，我們不用管其他位的值。

GPIOA->BSRR=1<< 1;