1.1.1 GPIO基本概念
1．通用I/O（GPIO）的含义
所谓通用I/O，也记为GPIO（General Purpose I/O），即基本的输入/输出，有时也称并行I/O，或普通I/O，它是I/O的最基本形式。本书中使用正逻辑，电源（Vcc）代表高电平，对应数字信号“1”；地（GND）代表低电平，对应数字信号“0”。作为通用输入引脚，MCU内部程序可以通过端口寄存器获取该引脚状态，以确定该引脚是“1”（高电平）或“0”（低电平），即开关量输入。作为通用输出引脚，MCU内部程序通过端口寄存器控制该引脚状态，使得引脚输出“1”（高电平）或“0”（低电平），即开关量输出。大多数通用I/O引脚可以通过编程来设定其工作方式为输入或输出，称之为双向通用I/O。
2．输出引脚的基本接法
作为通用输出引脚，MCU内部程序向该引脚输出高电平或低电平来驱动器件工作，即开关量输出，如图4-2所示，输出引脚O1和O2采用了不同的方式驱动外部器件。一种接法是O1直接驱动发光二极管LED，当O1引脚输出高电平时，LED不亮；当O1引脚输出低电平时，LED点亮。这种接法的驱动电流一般在2mA～10mA。另一种接法是O2通过一个NPN三极管驱动蜂鸣器，当O2引脚输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器响；当O2引脚输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器不响。这种接法可以用O2引脚上的几个mA的控制电流驱动高达100mA的驱动电流。若负载需要更大的驱动电流，就必须采用光电隔离外加其他驱动电路，但对MCU编程来说，没有任何影响。
3．上拉下拉电阻与输入引脚的基本接法
芯片输入引脚的外部有三种不同的连接方式：带上拉电阻的连接、带下拉电阻的连接和“悬空”连接。通俗地说，若MCU的某个引脚通过一个电阻接到电源（Vcc）上，这个电阻被称为“上拉电阻”；与之相对应，若MCU的某个引脚通过一个电阻接到地（GND）上，则相应的电阻被称为“下拉电阻”。这种做法使得，悬空的芯片引脚被上拉电阻或下拉电阻初始化为高电平或低电平。根据实际情况，上拉电阻与下拉电阻可以取值在1KΩ～10KΩ之间，其阻值大小与静态电流及系统功耗有关。
1.1.2 芯片GPIO引脚的基本特征
每个GPIO引脚都可以通过软件配置为推挽式或开放式输出、上下拉输入、无上下拉输入或作为外部复用功能（adc、spi、i2c等等）。而且，大部分的GPIO引脚可配置为数字复用或模拟复用。由于在AHB2总线上的映射，可以做到快速I/O切换。此外，如果需要，可以通过写入特定的序列，关闭I/O复用功能，以避免对I/O寄存器的错误写入。
STM32L431RCT6芯片引脚的负载电容为50pF，85℃下功耗为444mW。(VDDX-VSS)，即外部主电源电压(包括VDD、VDDA、VBAT)在-0.4V到4V之间。经过VDD/VDDA电源线的总电流（供应电流）最大值为140mA，经过VSS地线的总电流，反向输出电流最大值为140mA；每个VDD电源引脚的最大电流不超过100mA，每个VSS地脚最大反向输出电流不超过100mA；任何I/O和控制引脚的反向输出电流不超过20mA，任何I/O和控制引脚的输出电流不超过20mA，所有I/Os和控制引脚的总注入电流不超过25mA。
1.1.3 GPIO模块编程寄存器
每个通用I/O端口包括4个32位配置寄存器（GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR和GPIOx_PUPDR）、2个32位数据寄存器（GPIOx_IDR和GPIOx_ODR）和1个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)。此外，所有GPIO都包括1个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)和2个32位复用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH和GPIOx_AFRL）。
1．GPIO端口模式寄存器（GPIOx_MODER）（x=A to E and H）
复位值：
0xABFF FFFF（GPIOx_MODER寄存器掩码为0xABFF FFFF，使用端口A）
0xFFFF FEBF（GPIOx_MODER寄存器掩码为0xFFFF FEBF，使用端口B）
0xFFFF FFFF（GPIOx_MODER寄存器掩码为0xFFFF FFFF，使用端口C..E）
0x0000 000F（GPIOx_MODER寄存器掩码为0x0000 000F，使用端口H）
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数据位 |
D31~D30 |
D29~D28 |
D27~D26 |
… |
D3~D2 |
D1~D0 |
|
读 |
MODE15[1:0] |
MODE14[1:0] |
MODE13[1:0] |
… |
MODE1[1:0] |
MODE[1:0] |
|
写 |
D31~D0(MODEy[1:0]，y∈[0,15])：x端口y引脚配置位。这些位通过软件写入，用于配置I/O模式。00：输入模式；01：通用输出模式；10：复用功能模式（可复用为ADC，SPI模块功能引脚）；11：模拟模式（芯片复位后，引脚默认模式）。eg：MODE15[1:0]=01，X端口15号引脚被配置为通用输出模式（类似的情况，下面就不再描述）。
2．GPIO端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）（x=A to E and H）
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数据位 |
D31~D16 |
D15 |
D14 |
D13 |
D12 |
D11 |
… |
D2 |
D1 |
D0 |
|
读 |
0 |
OT15 |
OT14 |
OT13 |
OT12 |
OT11 |
… |
OT2 |
OT1 |
OT0 |
|
写 |
— |
D31~D16：保留，必须保持复位值。
D15~D0(OTy[1:0]，y∈[0,15])：x端口y引脚配置位。这些位通过软件写入，用于配置I/O输出类型。OTy=0：推挽输出（复位状态）；OTy=1：开漏输出。GPIOx_OTYPER寄存器复位值为0，
3．GPIO端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）（X=A to E and H）
复位值：
0x0C00 0000（端口A）
0x0000 0000（其他端口）
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数据位 |
D31~D30 |
D29~D28 |
D27~D26 |
… |
D3~D2 |
D1~D0 |
|
读 |
OSPEED15[1:0] |
OSPEED14[1:0] |
OSPEED13[1:0] |
… |
OSPEED1[1:0] |
OSPEED0[1:0] |
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写 |
D31~D0(OSPEEDy[1:0]，y∈[0,15])：x端口y引脚配置位。这些位通过软件写入，用于配置引脚输出速度。00：低速；01：中速；10：高速；11：超高速。
4．GPIO端口上拉/下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）（X=A to E and H）
GPIOx_PUPDR寄存器与GPIOx_OSPEEDR寄存器结构类似，有16个PUPDy[1:0]位（y∈[0,15]），即16个引脚配置位。这些位通过软件写入，用于配置I/O引脚上拉或下拉。00：y引脚无上拉或下拉；01：y引脚上拉；10：y引脚下拉；11：保留。
5．GPIO端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）（X=A to E and H）
GPIOx_IDR寄存器与GPIOx_OTYPER寄存器结构类似，D31~D16位保留，必须保持复位值，即0。D15~D0(IDy，y∈[0,15])，端口输入数据位。这些位为只读位，它们包含相应I/O引脚的电平信息。
6．GPIO端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）（X=A to E and H）
GPIOx_ODR寄存器与GPIOx_OTYPER寄存器结构类似，D31~D16位保留，必须保持复位值，即0。D15~D0(OD y，y∈[0,15])：端口输出数据位。这些位可通过软件读取和写入，该位决定着被配置为输出引脚的电平的高低。若OD5=0，5号引脚为低电平；反之，为高电平。
7．GPIO端口位置1/复位寄存器（GPIOx_BSRR）（X=A to E and H）
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数据位 |
D31~D16 |
D15~D0 |
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读 |
— |
|
|
写 |
BR[15:0] |
BS[15:0] |
D31~D0：这些位为只写，读取这些位可返回值0x0000，复位值为0。
D31~D16(BRy，y∈[0,15])：端口x复位位y， 0：不会对相应的ODx位执行任何操作；1：复位相应的ODx位，即将ODx位写0。
注：如果同时对BSx和BRx置位，则BSx的优先级更高。
D15~D0(BSy，y∈[0,15])：端口x置位位y， 0：不会对相应的ODx位执行任何操作；1：将相应的ODx位置1。
8．GPIO端口位复位寄存器（GPIOx_BRR）（X=A to E and H）
GPIOx_BRR寄存器与GPIOx_OTYPER寄存器结构类似，D31~D16位保留，必须保持复位值，即0。D15~D0(BR[15:0])：端口x复位位y(y=0..15),这些位为只写。读取这些位可返回值0x0000。0：不会对相应的ODx位执行任何操作;1：复位相应的ODx位。
9．GPIO端口配置锁定寄存器（GPIOx_LCKR）（X=A to E and H）
当正确的写序列应用到第 16 位（LCKK）时，此寄存器将用于锁定端口位的配置。位[15:0]的值用于锁定GPIO的配置。在写序列期间，不能更改LCKR[15:0]的值。将LOCK序列应用到某个端口位后，在执行下一次MCU复位或外设复位之前，将无法对该端口位的值进行修改。
GPIOx_LCKR寄存器与GPIOx_OTYPER寄存器结构类似，D31~D16位保留，必须保持复位值，即0。D16(LCKK)：锁定键，可随时读取此位。可使用锁定键写序列对其进行修改。LCKK=0：端口配置锁定键未**。LCKK=1：端口配置锁定键已**，GPIOx_LCKR寄存器被锁定，直到下一次MCU复位或外设复位。
锁定键写序列：
WR LCKR[16]=‘1’+LCKR[15:0]
WR LCKR[16]=‘0’+LCKR[15:0]
WR LCKR[16]=‘1’+LCKR[15:0]
RD LCKR
RD LCKR[16]=‘1’（此读操作为可选操作，但它可确认锁定已**）
D15~D0(LCK[15:0])：端口x锁定位，这些位都是读/写位，但只能在LCKK位等于“0”时执行写操作。0：端口配置未锁定；1：端口配置已锁定。
10．GPIO复用功能低位寄存器（GPIOx_AFRL）（X=A to E and H）
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数据位 |
D31~D28 |
D27~D24 |
D23~D20 |
… |
D11~D8 |
D7~D4 |
D3~D0 |
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读 |
AFSEL7[3:0] |
AFSEL6[3:0] |
AFSEL5[3:0] |
… |
AFSEL2[3:0] |
AFSEL1[3:0] |
AFSEL0[3:0] |
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写 |
D31~D0(AFSELy[3:0]，y∈[0,7])：端口x引脚y的复用功能选择，这些位通过软件写入，用于配置复用功能I/O，复位值为0。
eg：GPIOC_AFSEL0[3:0]=0100(AF4)，则C端口0号引脚被配置为I2C3_SCL功能引脚。
AFSELy选择：该4位二进制值为0000～1111，分别记为AF0～AF15
11．GPIO复用功能高位寄存器（GPIOx_AFRH）（X=A to E and H）
GPIOx_AFRH寄存器的结构与GPIOx_AFRL寄存器的结构类似。D31~D0(AFSEL y[3:0]，y∈[8,15]）：端口x引脚y的复用功能选择，这些位通过软件写入，用于配置复用功能I/O。
之所以会存在AFRL，AFRH两个复用功能寄存器，是因为AFSELy（y∈[0,15]）分别与SYS_AF，TIM1/TIM2/LPTIM1，TIM1/TIM2，USART2，I2C1/I2C2/I2C3，SPI1/SPI2，SPI3，USART1/USART2/USART3，LPUART1，CAN1/TSC ，QUADSPI，SDMMC1/COMP1/COMP2/SWPMI1，SAI1，TIM2/TIM15/TIM16/LPTIM2，EVENTOUT功能模块分别相对应，但AFSEL11没有对应复用功能。而且，EVENTOUT是用于多个ARM之间同步用。与用GPIO输出相比较，GPIO至少要3条指令输出一个脉冲，并且访问总线有延时，而输出EVENTOUT只用 一条SEV指令，脉冲直接由内核控制，延迟最小。
1.1.4 GPIO编程基本步骤
GPIO编程具体实例可参“User_STM32_Light_Simple_20200423”，该工程实现了直接地址改变小灯亮暗状态的基本功能。但需要注意PortB端口的基地址为0x48000400，bsrr寄存器偏移量为0x18（十进制偏移量为24），brr寄存器偏移量为0x28（十进制为40）。
但是，vuint_32* gpio_bsrr=(vuint_32*)(gpio_ptr+0x18);
gpio_bsrr 的地址为0x48000460非0x48000418，故所加值为偏移量的1/4。点亮小灯具体步骤如下：
1）使能PORTB端口时钟
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//使能PORTB时钟。 RCC_AHB2=(vuint_32*)0x4002104C; *RCC_AHB2|=(1<<1); |
2）计算引脚模式寄存器、位置1寄存器、复位寄存器基地址
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//变量定义，对应GPIO各寄存器基地址 vuint_32* gpio_mode=(vuint_32*)0x48000400; vuint_32* gpio_bsrr=(vuint_32*)(gpio_ptr+0x6); vuint_32* gpio_brr=(vuint_32*)(gpio_ptr+0xA); |
3)//配置引脚功能模式，定义为输出引脚
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vuint_32 temp; //先将mode7（红灯），mode8（绿灯），mode9（蓝灯）均清零 temp=~(uint_32)((3<<18)|(3<<16)|(3<<14)); *gpio_mode&=temp; //先mode7（红灯），mode8（绿灯），mode9（蓝灯）均设置为01 temp=(uint_32)((1<<18)|(1<<16)|(1<<14)); *gpio_mode|=temp; //将PB9，PB8，PB7设置为gpio输出引脚 |
4）改变小灯亮暗状态
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//设置引脚为低电平，点亮小灯 temp=(uint_32)((1<<7)|(1<<8)|(1<<9)); // temp=(uint_32)(7<<7); *gpio_brr|=temp; //PB7,PB8,PB9为低电平，红绿蓝灯亮 //设置引脚为高电平，熄灭小灯 temp=(uint_32)(7<<7); *gpio_bsrr=temp; //PB8为高电平，红绿蓝灯灭 |