实用指南：嵌入式学习笔记3.基于寄存器方式控制GPIO

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1. 模式寄存器 (GPIOx->MODER)

模式寄存器一共有32位，每2位一组，对应着1个不同的1/0引脚。这些位通过软件写人，用于配置1/0引脚的模式：

• 00：输入模式（复位值）
• 01：通用输出模式
• 10：复用功能模式
• 11：模拟模式

eg：向GPIOA_MODER寄存器的bit1和bitO写人01，表示将引脚PA0设置为输出模式；向GPI0C_MODER寄存器的bit31和bit30写人11，表示将引脚PC15设置为模拟模式。

1. 模式寄存器 (GPIOx->MODER)
MODER 寄存器用于配置引脚是输入、输出还是复用功能。每个引脚由两位控制。
配置为输入模式：00
配置为通用输出模式：01
配置为复用功能模式：10
配置为模拟模式：11
操作方法：先清零，再置位。
// 示例：将 PA5 配置为通用输出模式 (01)
// 1. 清零 PA5 对应的位 (第10位和第11位)
GPIOA->MODER &= ~(0x03 << (5 * 2));
// 2. 设置 PA5 为通用输出模式 (01)
GPIOA->MODER |=  (0x01 << (5 * 2));
// 示例：将 PA6 配置为输入模式 (00)
// 只需清零即可
GPIOA->MODER &= ~(0x03 << (6 * 2));

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2. 输出类型寄存器 (GPIOx->OTYPER)

输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）
该寄存器用于控制GPIO端口各引脚的输出类型，该寄存器在引脚配置为输出模式后才有效，其他工作模式下无效。
输出类型寄存器一共有32位，如表6-3所示。高16位保留，低16位的每1位对应一个不同的1/0引脚。这些位通过软件写人，用于配置1/0引脚的输出类型：

• 0：推挽输出（复位值）
• 1：开漏输出

例如：向GPIOB_OSPEEDR寄存器的bit1写人1，表示将引脚PB1设置为开漏输出模式。

2. 输出类型寄存器 (GPIOx->OTYPER)
OTYPER 寄存器用于配置输出引脚是推挽（Push-Pull）还是开漏（Open-Drain）。每个引脚由一位控制。
推挽输出：0 (输出高低电平)
开漏输出：1 (只能拉低电平，需要外部上拉电阻才能输出高电平)
操作方法：通常与 MODER 配合使用。
// 示例：将 PA5 配置为推挽输出
GPIOA->OTYPER &= ~(0x01 << 5); // 清零第5位
// 示例：将 PA7 配置为开漏输出
GPIOA->OTYPER |= (0x01 << 7); // 置位第7位

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3. 输出速度寄存器 (GPIOx->OSPEEDR)

• 00：低速（复位值）
• 01：中速
• 10：高速
• 11：超高速

例如：向GPI0D_MODER寄存器的bi15和bit14写人11，表示将引脚PD7的输出速度设置为超高速。

3. 输出速度寄存器 (GPIOx->OSPEEDR)
OSPEEDR 寄存器用于配置输出引脚的切换速度。每个引脚由两位控制。
低速：00
中速：01
高速：10
超高速：11 (部分引脚支持)
操作方法：先清零，再置位。
c
运行
// 示例：将 PA5 配置为高速输出 (10)
GPIOA->OSPEEDR &= ~(0x03 << (5 * 2)); // 清零
GPIOA->OSPEEDR |=  (0x02 << (5 * 2)); // 设置为 10

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4. 上下拉寄存器 (GPIOx->PUPDR)

• 00：既无上拉也无下拉（复位值）
• 01：上拉
• 10:下拉
• 11：保留

例如：向GPIOE_PUPDR寄存器的bit17和bit16写入01，表示使能引脚PE8的上拉电阻。

4. 上下拉寄存器 (GPIOx->PUPDR)
PUPDR 寄存器用于配置引脚的上拉或下拉电阻。每个引脚由两位控制。
无上拉 / 下拉：00
上拉：01
下拉：10
操作方法：先清零，再置位。
// 示例：将 PA6 (输入引脚) 配置为上拉
GPIOA->PUPDR &= ~(0x03 << (6 * 2)); // 清零
GPIOA->PUPDR |=  (0x01 << (6 * 2)); // 设置为 01
// 示例：将 PA5 (输出引脚) 配置为无上拉/下拉
GPIOA->PUPDR &= ~(0x03 << (5 * 2)); // 只需清零

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5. 输入数据寄存器 (GPIOx->IDR)

• 0：对应引脚输入低电平
• 1：对应引脚输入高电平

例如：如果读到GPIOA_IDR寄存器的bit7为1，表示引脚PA7输人高电平。

注意：输入数据寄存器是只读模式，不能通过软件写人。当引脚设置为输出模式或复用模式时，也可以通过输入数据寄存器读取引脚的电平状态。

5. 输入数据寄存器 (GPIOx->IDR)
IDR 寄存器用于读取引脚的当前电平状态。它是只读寄存器。
操作方法：使用按位与（&）操作来读取特定引脚。
// 示例：读取 PA6 的电平状态
uint32_t pin_state = GPIOA->IDR & (0x01 << 6);
if (pin_state) {// PA6 为高电平
} else {// PA6 为低电平
}

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6. 输出数据寄存器 (GPIOx->ODR) 

• 0：对应引脚输出低电平
• 1：对应引脚输出高电平

例如：向GPIOA_ODR寄存器的bi5写人1，表示引脚PA5输出高电平。

6. 输出数据寄存器 (GPIOx->ODR)用于控制输出引脚的电平。
ODR：直接读写整个端口的输出状态。读改写（Read-Modify-Write）操作可能引发竞态条件。
操作方法：
// 使用 ODR 控制 PA5
GPIOA->ODR |= (0x01 << 5);  // PA5 输出高电平 (Set)
GPIOA->ODR &= ~(0x01 << 5); // PA5 输出低电平 (Reset)
// HAL库也提供了直接操作BSRR的宏
__HAL_GPIO_SET_PIN(GPIOA, GPIO_PIN_5);
__HAL_GPIO_RESET_PIN(GPIOA, GPIO_PIN_5);

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• 高16位用于控制对应的I0引脚输出低电平：写入1对应引脚输出低电平，写人 0没有任何作用。
• 低16位用于控制对应的1/0引脚输出高电平：写入1对应引脚输出高电平，写人 0没有任何作用。

和GPIOx_ODR寄存器相比，使用GPIOx_BSRR寄存器控制引I脚有两个优势：

①GPIOx_BSRR寄存器的操作是原子操作，不会被中断所打断。

②在控制多个引脚同时输出高/低电平时更加方便。

7.置位 / 复位寄存器 (GPIOx->BSRR)
BSRR：推荐使用。高 16 位用于复位（置 0），低 16 位用于置位（置 1）。操作是原子的，不会有竞态条件。
操作方法：
// 使用 BSRR 控制 PA5 (更安全、更高效)
#define SET_PIN5  (0x01 << 5)
#define RESET_PIN5 (0x01 << (5 + 16))
GPIOA->BSRR = SET_PIN5;    // PA5 输出高电平
GPIOA->BSRR = RESET_PIN5;  // PA5 输出低电平

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7. 复用功能寄存器 (GPIOx->AFRL, GPIOx->AFRH)

AFRL (用于引脚 0-7) 和 AFRH (用于引脚 8-15) 寄存器用于选择复用功能的具体外设。每个引脚由四位控制。

操作方法：需要查阅芯片数据手册（Datasheet）来确定外设对应的 AF 编号。

// 示例：将 PA9 配置为 USART1_TX (假设 AF 编号为 7)
// PA9 在 AFRH 寄存器中，对应位 [15:12]
// 1. 清零 PA9 对应的 4 个位
GPIOA->AFRH &= ~(0x0F << ((9 - 8) * 4));
// 2. 设置 AF 编号为 7 (0111)
GPIOA->AFRH |=  (0x07 << ((9 - 8) * 4));

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8. 配置锁存寄存器 (GPIOx->LCKR)

LCKR 寄存器用于锁定引脚的配置，防止意外修改。一旦锁定，只有在下次复位后才能重新配置。

操作方法：遵循特定的 “锁定序列”。

// 示例：锁定 PA5 的配置
// 1. 写 LCKR 寄存器，设置 LCKK 位和要锁定的引脚位
GPIOA->LCKR = (GPIO_PIN_5 | GPIO_LCKK_Msk);
// 2. 再次写 LCKR 寄存器，同样设置 LCKK 位和引脚位
GPIOA->LCKR = (GPIO_PIN_5 | GPIO_LCKK_Msk);
// 3. 第三次读 LCKR 寄存器
volatile uint32_t temp = GPIOA->LCKR;
// 4. 第四次读 LCKR 寄存器。如果 LCKK 位为 1，则锁定成功。
if ((GPIOA->LCKR & GPIO_LCKK_Msk) == GPIO_LCKK_Msk) {// PA5 配置已成功锁定！
}

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总结：HAL 库函数 vs. 直接寄存器操作

功能 (Function)	HAL 库函数 (HAL Library Function)	直接寄存器操作 (Direct Register Access)
初始化配置	HAL_GPIO_Init()	GPIOx->MODER, OTYPER, OSPEEDR, PUPDR, AFRL/H
读取输入	HAL_GPIO_ReadPin()	GPIOx->IDR & GPIO_PIN_x
写输出	HAL_GPIO_WritePin()	GPIOx->ODR = ... 或 GPIOx->BSRR = ...
翻转输出	HAL_GPIO_TogglePin()	GPIOx->ODR ^= GPIO_PIN_x 或 GPIOx->BSRR = ...
锁定配置	HAL_GPIO_LockPin()	GPIOx->LCKR (遵循锁定序列)