基于hal库的stm32 GPIO教学

• 基于hal库的stm32 GPIO教学
  • 一、了解：什么是单片机
  • 二、开发环境配置
    • 2.0 stm32开发环境对比
    • 2.1 集成51和stm32的单片机开发环境配置
    • 2.2 cubemx下载与安装
  • 三、了解stm32
  • 四、GPIO讲解
    • 4.0 STM32的GPIO结构图
    • 4.1 GPIO的4种输入工作模式
    • 4.2 GPIO的4种输出工作模式
    • 4.3 相关函数
  • 五、点亮一个LED
  • 六、课后任务

一、了解：什么是单片机

• 什么是单片机

二、开发环境配置

2.0 stm32开发环境对比

• keil

• iar

• TrueSTUDIO - Updates to Atollic TrueSTUDIO are discontinued since 2017

• SW4STM32

• stm32cubeIDE

• eclipse/vscode + arm-none-eabi-gcc

• platformio - opensource

2.1 集成51和stm32的单片机开发环境配置

1. 从keil官网下载软件安装包
   
   
   
2. 下载器件支持包Software Packs
   
   
   
3. 准备注册机
4. 安装keil mdk
5. 管理员身份打开keil，添加mdk的Lisense
6. 安装keil c51(如果想两者共存的话，安装顺序不能变)
7. 管理员身份打开keil，添加c51的Lisense
8. 注：keil5本身不兼容keil4，若想打开keil4的工程可以到官网下载补丁包
   

下载时总是弹出非正版警告"Error: Not a genuine ST Device! Abort connection."的解决方法
注意1：Keil.STM32F1xx_DFP.pdsc文件的目录可能有差异，我的在D:\Keil_v5\Packs\Keil\STM32F1xx_DFP\2.3.0
注意2：修改完D:\Keil_v5\Packs\Keil\STM32F1xx_DFP\2.3.0文件后需要重启keil

2.2 cubemx下载与安装

• 软件下载链接
• 安装芯片对应的软件包

三、了解stm32

• 什么是stm32

    STM32，是由意法半导体基于 ARM Cortex-M 研制和生产的一系列32位单片机，是众多采用ARM架构的MCU的其中一种。ST公司的MCU芯片便宜、面向散片销售市场、国内比较多。

• stm32能做什么

    STM32 属于一个微控制器，自带了各种常用通信接口，比如 USART、I2C、 SPI 等，可接非常多的传感器，可以控制很多的设备。现实生活中，我们接触到的很多电器产品都有 STM32 的身影，比如智能手环，微型四轴飞行器，平衡车、移动 POST 机，智能电饭锅，3D 打印机等等。

• stm32的标准库、hal库和ll库

    ST为开发者提供了非常方便的开发库。到目前为止，有标准外设库(STD库)、HAL(Hardware Abstraction Layer)库、LL(Low Layer)库 三种。

    其中标准库与HAL库最常用，LL库只是最近新添加的。

    标准外设库（Standard Peripherals Library）是对STM32芯片的一个完整的封装，包括所有标准器件外设的器件驱动器。这应该是目前使用最多的ST库，几乎全部使用C语言实现。但是，标准外设库也是针对某一系列芯片而言的，没有可移植性。

    HAL库与新增的LL库，都是ST公司提供的新标准库，包含在ST为新的标准库注册了一个新商标：STMCube™当中。LL库和HAL库两者相互独立，只不过LL库更底层。而且，部分HAL库会调用LL库（例如：USB驱动）。同样，LL库也会调用HAL库。

    可以说HAL库就是用来取代之前的标准外设库的。相比标准外设库，STM32Cube HAL库表现出更高的抽象整合水平，HAL API集中关注各外设的公共函数功能，这样便于定义一套通用的用户友好的API函数接口，从而可以轻松实现从一个STM32产品移植到另一个不同的STM32系列产品。HAL库是ST未来主推的库，从前年开始ST新出的芯片已经没有STD库了，比如F7系列。现在，ST主推HAL库，目前，HAL库已经支持STM32全线产品。

• stm32不同型号的命名

  
  

四、GPIO讲解

4.0 STM32的GPIO结构图

4.1 GPIO的4种输入工作模式

  结构图的上半部分为输入模式结构，分为上拉输入模式、下拉输入模式、浮空输入模式和模拟输入模式

• 结构图的最右端是I/O引脚，左端的器件位于芯片内部。I/O引脚并联了两个用于保护的二极管。接下来是两个开关和电阻。与\(V_{DD}\)相连的是上拉电阻，与\(V_{SS}\)相连的是下拉电阻。再连接到TTL施密特触发器就把电压信号转化为0、1的数字信号并存储在输入数据寄存器（IDR）。我们可以通过设置配置寄存器（CRL、CRH）来控制这两个开关，于是就可以得到上拉输入模式和下拉输入模式。
• 浮空输入模式在芯片内部既没有接上拉电阻也没有接下拉电阻，经由触发器输入。该模式下直接用电压表测量引脚电压为1点几伏，是一个不确定值。由于其输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准的通信协议如IIC、USART的接收端。
• 模拟输入模式则关闭了施密特触发器，不接上、下拉电阻，经由一线路把电压信号传递到片上的外设模块。如传送至ADC模块，由ADC采集电压信号。所以使用ADC外设的时候，必须设置为模拟输入模式。

4.2 GPIO的4种输出工作模式

  结构图的下半部分为输出模式结构，分为推挽输出模式、开漏输出模式、复用推挽输出模式、复用开漏输出模式

• 线路经过一个由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路。推挽输出模式中，输出高电平时，P-MOS管导通；低电平时，N-MOS管导通。两个管子轮流导通，使其负载能力和开关速度相比普通方式有很大的提高。推挽输出低电平为0V，高电平为3.3V
• 开漏输出模式中，输出逻辑0，则N-MOS激活，接地，输出低电平；输出逻辑1，端口处于高阻态（电阻非常大，但不是断路）（the P-MOS is never activated）。
  • 无外接上拉电阻：逻辑0时，N-MOS通，PIN直接接地（也有内阻），输出即为低电平； （与操作习惯相符，写0，输出0）。逻辑1时，高阻，输出也为低电平；（与操作习惯相悖，写1，输出0）。
  • 有外接电阻时：逻辑0时，N-MOS通，PIN在VCC和VSS之间，上拉电阻和内阻之间，输出也为低电平； （与操作习惯相符，写0，输出0）。逻辑1时，高阻，PIN得到的电压是分配在高阻上的电压，即输出为高电平；（与操作习惯相同，写1，输出1）。
  • 应用：输出比3.3更高的电平、“线与”特性
• 对于相应的复用模式，则是根据GPIO的复用功能来选择的，如GPIO的引脚用作串口的输出，则使用复用推挽输出模式；如果用在IIC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合，就使用复用开漏模式

4.3 相关函数

查找手册 《HAL APIs for STM32F1》

• HAL API naming rules

  

• HAL_GPIO_ReadPin

  • Function name GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin (GPIO_TypeDef * GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)
  • Function description Reads the specified input port pin.
  • Parameters
    • GPIOx: where x can be (A..G depending on device used) to select the GPIO peripheral
    • GPIO_Pin: specifies the port bit to read. This parameter can be GPIO_PIN_x where x can be (0..15).
  • Return values :The input port pin value.

• HAL_GPIO_WritePin

  • Function name void HAL_GPIO_WritePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
  • Function description Sets or clears the selected data port bit.
  • Parameters
    • GPIOx: where x can be (A..G depending on device used) to select the GPIO peripheral
    • GPIO_Pin: specifies the port bit to be written. This parameter can be one of GPIO_PIN_x where x can be (0..15).
    • PinState: specifies the value to be written to the selected bit. This parameter can be one of the GPIO_PinState enum values:
      • GPIO_BIT_RESET: to clear the port pin
      • GPIO_BIT_SET: to set the port pin
  • Return values :None
  • Notes This function uses GPIOx_BSRR register to allow atomic read/modify accesses. In this way, there is no risk of an IRQ occurring between the read and the modify access.

• HAL_GPIO_TogglePin

  • Function name void HAL_GPIO_TogglePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
  • Function description Toggles the specified GPIO pin.
  • Parameters
    • GPIOx: where x can be (A..G depending on device used) to select the GPIO peripheral
    • GPIO_Pin: Specifies the pins to be toggled.
  • Return values :None

五、点亮一个LED

• 演示生成工程
• 讲解cubemx生成代码的基本架构
• 演示点亮一个LED
• 讲解调试程序的方法

六、课后任务

• 实现一个流水灯
• 用按键控制LED