7. 点亮LED灯的代码实现分析¶

本章参考资料：《dm00327659-stm32mp157-advanced-armbased-32bit-mpus-stmicroelectronics》参考手册。

学习本章时，配合《Sdm00327659-stm32mp157-advanced-armbased-32bit-mpus-stmicroelectronics》 “General-purpose I/Os (GPIO)”章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

在上面的章节中我们使用了STM32CubeIED生成一个控制LED闪烁的工程，其中LED的控制涉及到了GPIO的控制。

7.1. GPIO简介¶

GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。

最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入到LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。

最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

7.2. GPIO框图剖析¶

STM32所有的系列芯片的GPIO框图基本上都是相同。通过GPIO硬件结构框图，就可以从整体上深入了解GPIO外设及它的各种应用模式。该图从最右端看起，最右端就是代表STM32芯片引出的GPIO引脚，其余部件都位于芯片内部。

7.2.1. 基本结构分析¶

下面我们按图中的编号对GPIO端口的结构部件进行说明。

7.2.1.1. 保护二极管及上、下拉电阻¶

引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于V_DD时，上方的二极管导通，当引脚电压低于V_SS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着STM32的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。具体电压、电流范围可查阅《STM32MP15x数据手册》。

上拉、下拉电阻，从它的结构我们可以看出，通过上、下拉对应的开关配置，我们可以控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平，开启下拉的时候引脚电压为低电平，这样可以消除引脚不定状态的影响。如引脚外部没有外接器件，或者外部的器件不干扰该引脚电压时，STM32的引脚都会有这个默认状态。

也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式，配置成这个模式时，直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值。所以一般来说我们都会选择给引脚设置“上拉模式”或“下拉模式”使它有默认状态。

STM32的内部上拉是“弱上拉”，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。通过“上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”控制引脚的上、下拉以及浮空模式。

7.2.1.2. P-MOS管和N-MOS管¶

GPIO引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P管负责灌电流，N管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0伏，高电平为3.3伏，具体参考图6_2，它是推挽输出模式时的等效电路。

而在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1 (它无法直接输出高电平)时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须接上拉电阻(可用STM32的内部上拉，但建议在STM32外部再接一个上拉电阻)，参考图6_2 中的右侧等效电路。它具“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0伏。

推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。

通过 “输出类型寄存器GPIOx_OTYPER”可以控制GPIO端口是推挽模式还是开漏模式。

7.2.1.3. GPIO寄存器¶

我们想要配置GPIO引脚的特定功能，就是通过实现通过配置GPIO寄存器来实现的，GPIO引脚功能越强大所需要来用配置引脚的寄存器就越多。

在32位的处理器中每个寄存器为32bit，占四个字节，在该外设的基地址上按照顺序排列，寄存器的位置都以相对该外设基地址的偏移地址来描述。 GPIO有哪些常用的寄存器，具体见表 6-1 GPIOx(x=A to K,Z)端口的常用寄存器列表。

表格 6‑1 GPIOx端口的常用寄存器列表

寄存器名称	寄存器功能	相对GPIO基址的偏移
GPIOx_MODER	GPIO模式寄存器	0x00
GPIOx_OTYPER	GPIO输出类型寄存器	0X04
GPIOx_OSPEEDR	GPIO输出速度寄存器	0x08
GPIOx_PUPDR	GPIO上拉/下拉寄存器	0x0c
GPIOx_IDR	GPIO输入数据寄存器	0x10
GPIOx_ODR	GPIO输出数据寄存器	0x14
GPIOx_BSRR	GPIO置位/复位寄存器	0x18
GPIOx_LCKR	GPIO配置锁定寄存器	0x1c
GPIOx_AFRL	GPIO复用功能配置寄存器	0x20
GPIOx_AFRH	GPIO复用功能配置寄存器	0x24

7.2.1.4. 输出数据寄存器¶

前面提到的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

7.2.1.5. 复用功能输出¶

“复用功能输出”中的“复用”是指STM32的其它片上外设对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。

例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

7.2.1.6. 输入数据寄存器¶

看GPIO结构框图的上半部分，它是GPIO引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

7.2.1.7. 复用功能输入¶

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其它片上外设，由该外设读取引脚状态。

同样，如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

7.2.1.8. 模拟输入输出¶

当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构了，在GPIO结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。同时，当GPIO用于模拟功能时(包括输入输出)，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使在寄存器配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出。

7.2.2. 寄存器描述¶

有关外设的寄存器说明可参考《STM32MP15x参考手册》中具体章节的寄存器描述部分，在使用HAL库编程时，我们并不需要详细了解这些寄存器，HAL库已经帮我们封装好了各种寄存器，但如果能够熟悉这些寄存器，在使用HAL编程时会更加随心应用，我们在学习过程中也应该掌握使用寄存器来配置我们需要的功能，实际项目中使用HAL库。

这里我们以“GPIO端口置位/复位寄存器”为例，教大家如何理解寄存器的说明，具体见下图。

图 6‑3 GPIO端口置位/复位寄存器说明

①名称

寄存器说明中首先列出了该寄存器中的名称，“(GPIOx_BSRR)(x=A to K,Z)”这段的意思是该寄存器名为“GPIOx_BSRR”其中的“x”可以为A-I以及Z，这些GPIO端口都有这样的一个寄存器。

②偏移地址

偏移地址是指本寄存器相对于这个外设的基地址的偏移。本寄存器的偏移地址是0x18，比如GPIOA外设的基地址为0x5000 2000 ，我们就可以算出GPIOA的这个GPIOA_BSRR寄存器的地址为：0x5000 2000+0x18 ；同理，由于GPIOB的外设基地址为0x5000 3000，可算出GPIOB_BSRR寄存器的地址为：0x5000 3000+0x18 。其他GPIO端口以此类推即可。

③寄存器位表

紧接着的是本寄存器的位表，表中列出它的0-31位的名称及权限。表上方的数字为位编号，中间为位名称，最下方为读写权限，其中w表示只写，r表示只读，rw表示可读写。本寄存器中的位权限都是w，所以只能写，如果读本寄存器，是无法保证读取到它真正内容的。而有的寄存器位只读，一般是用于表示STM32外设的某种工作状态的，由STM32硬件自动更改，程序通过读取那些寄存器位来判断外设的工作状态。

④位功能说明

位功能是寄存器说明中最重要的部分，它详细介绍了寄存器每一个位的功能。例如本寄存器中有两种寄存器位，分别为BRy及BSy，其中的y数值可以是0-15，这里的0-15表示端口的引脚号，如BR0、BS0用于控制GPIOx的第0个引脚，若x表示GPIOA，那就是控制GPIOA的第0引脚，而BR1、BS1就是控制GPIOA第1个引脚。

其中BRy引脚的说明是“0：不会对相应的ODRx位执行任何操作；1：对相应ODRx位进行复位”。这里的“复位”是将该位设置为0的意思，而“置位”表示将该位设置为1；说明中的ODRx是另一个寄存器的寄存器位，我们只需要知道ODRx位为1的时候，对应的引脚x输出高电平，为0的时候对应的引脚输出低电平即可(感兴趣的读者可以查询该寄存器GPIOx_ODR的说明了解)。所以，如果对BR0写入“1”的话，那么GPIOx的第0个引脚就会输出“低电平”，但是对BR0写入“0”的话，却不会影响ODR0位，所以引脚电平不会改变。要想该引脚输出“高电平”，就需要对“BS0”位写入“1”，寄存器位BSy与BRy是相反的操作。

7.2.3. GPIO工作模式¶

总结一下，由GPIO的结构决定了GPIO可以配置成以下模式：

7.2.3.1. 输入模式(上拉/下拉/浮空)¶

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止。数据寄存器每隔1个AHB时钟周期更新一次，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。

用于输入模式时，可设置为上拉、下拉或浮空模式。

7.2.3.2. 输出模式(推挽/开漏，上拉/下拉)¶

在输出模式中，输出使能，推挽模式时双MOS管以方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有低速、中速、快速、高速的选项。此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。

此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。

用于输出模式时，可使用上拉、下拉模式或浮空模式。但此时由于输出模式时引脚电平会受到ODR寄存器影响，而ODR寄存器对应引脚的位为0，即引脚初始化后默认输出低电平，所以在这种情况下，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。。

7.2.3.3. 复用功能(推挽/开漏，上拉/下拉)¶

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

用于复用功能时，可使用上拉、下拉模式或浮空模式。同输出模式，在这种情况下，初始化后引脚默认输出低电平，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

7.2.3.4. 模拟输入输出¶

模拟输入输出模式中，双MOS管结构被关闭，施密特触发器停用，上/下拉也被禁止。其它外设通过模拟通道进行输入输出。

通过对GPIO寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO的应用模式，再强调一下，要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32MP15x参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO外设中，通过设置“模式寄存器GPIOx_MODER”可配置GPIO的输入/输出/复用/模拟模式， “输出类型寄存器GPIOx_OTYPER”配置推挽/开漏模式，配置“输出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR”可选低速、中速、快速、高速输出速度， “上/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”可配置上拉/下拉/浮空模式，各寄存器的具体参数值见表 6-1 GPIO寄存器的参数配置。

表 6-1 GPIO寄存器的参数配置。

7.3. 实验：使用HAL库点亮LED¶

在前面的章节中我们使用过STM32CubeIDE来创建工程，并且成功让板子上的LED闪烁，在本小节中，我们还是以前面创建的工程为例，详细讲解HAL库的GPIO配置过程。

7.3.1. 硬件连接¶

在本教程中STM32芯片与LED灯的连接见下图.

在之前的工程中我们以PG2所在引脚的LED灯为例来创建工程。

LED灯的阳极引出连接到3.3V电源，阴极经过1个电阻引入至STM32的GPIO引脚PG2中，所以我们只要控制这个引脚输出高低电平，即可控制其所连接LED灯的亮灭。

7.3.2. 启动文件¶

名为“startup_stm32mp157aacx.s”的文件，它里边使用汇编语言写好了基本程序，当我们启动M4内核时，首先会执行这里的汇编程序，从而建立起C语言的运行环境，所以我们把这个文件称为启动文件。

该文件使用的汇编指令是Cortex-M4内核支持的指令，可参考《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南(第3版)》。

startup_stm32mp157aacx.s文件是由官方提供的，一般不需要我们自己去修改不同型号的芯片以及不同编译环境下使用的汇编文件是不一样的，但功能相同。

其功能如下：

初始化堆栈指针SP;启动文件的第一个功能是设置栈指针sp，C语言程序的运行需要需要栈的支持局部变量的内容就是存储在栈中的，在设置栈之后就可以跳转到C函数中了。
进行代码重定位相关操作;STM32MP157的M4内核的代码会被加载到sram中，这里就是实现相关的操作。
初始化中断向量表，在中断向量表中设置各个中断的入口，当中断发生中跳转到相对应的程序中。
调用SystemInit()，该函数定义在 system_stm32mp1xx.c 中，代码见 SystemInit
调用main()，跳转到我们熟悉的C语言环境main函数中。

system_stm32mp1xx.c¶

void SystemInit (void)
{
..............
   /* Disable all interrupts and events */
   CLEAR_REG(EXTI_C2->IMR1);
   CLEAR_REG(EXTI_C2->IMR2);
   CLEAR_REG(EXTI_C2->IMR3);
   CLEAR_REG(EXTI_C2->EMR1);
   CLEAR_REG(EXTI_C2->EMR2);
   CLEAR_REG(EXTI_C2->EMR3);
.................
}

在这个函数中主要禁用CM4的所有中断和事件。

7.3.3. main文件¶

在调用完SystemInit函数之后，就进入了main函数中了，代码见 main

main.c¶

int main(void)
{

   HAL_Init();                                                //初始化HAL库

   if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())   //判断是否处于工程模式
   {
      SystemClock_Config();             //系统时钟配置
   }

   MX_GPIO_Init();                                 //引脚初始化

   while (1)
   {
      //用户添加代码区域
      HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);
      HAL_Delay(200);
   }
}

接下来我们将分析main函数中调用的各个函数的功能及作用。由于目前只讲解了GPIO相关的外设的知识点，对于其他外设部分内容读者只需要知道整个函数是做什么的即可，对于函数内部的实现将会放在相对应的章节来讲解。本章重点在于讲解GPIO配置相关内容。

7.3.3.1. HAL_Init函数¶

HAL_Init函数位于stm32mp1xx_hal.c文件中，内容具体如下

stm32mp1xx_hal.c¶

HAL_StatusTypeDef HAL_Init(void)
{
   /* Set Interrupt Group Priority */
   #if defined (CORE_CM4)
   HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);       //配置CM4的NVIC中断控制器
   #endif

   /* Update the SystemCoreClock global variable */
   SystemCoreClock = HAL_RCC_GetSystemCoreClockFreq();       //获取系统时钟

   /* Use systick as time base source and configure 1ms tick (default clock after Reset is HSI) */
   if(HAL_InitTick(TICK_INT_PRIORITY) != HAL_OK)                     //初始化systick，为HAL_Delay提供基准时间
   {
      return HAL_ERROR;
   }

   /* Init the low level hardware */
   HAL_MspInit();            //底层初始化

   /* Return function status */
   return HAL_OK;
}

第5行，配置CM4内核的NVIC中断控制器，设置中断优先级分组，了解过Cortex-M系列单片机的读者想必对 NVIC并不陌生，没有接触过Cortex-M内核的读者，暂且先知道这里配置了CM4的中断优先级分组，在中断章节会介绍NVIC中断相关内容。
第9行，HAL库使用SystemCoreClock来存储系统时钟，此处更新SystemCoreClock的值
第12-15行，初始化SysTick，将其配置为每1毫秒中断一次，当我们使用HAL_Delay延时函数时，就是以 Systick时钟中断作为时间基准。
第18行，底层初始化，重置硬件信号量(HSEM)。

stm32mp1xx_hal_msp.c¶

void HAL_MspInit(void)
{
   __HAL_RCC_HSEM_CLK_ENABLE();      //重置硬件信号量
}

HAL_Init函数的内容，涉及较多的知识点，可以在学习完了NVIC中断、Systick系统定时器以及系统时钟章节后再回来看这部分的内容。

7.3.3.2. SystemClock_Config¶

系统时钟配置，用于设置M4内核工作的系统时钟，这部分代码到系统时钟章节会进行详细说明。

7.3.3.3. MX_GPIO_Init¶

MX_GPIO_Init初始化函数是我们本章的重点，在看代码之前我们先回顾下之前在STM32CubeIed是怎么配置我们的GPIO引脚的

MX_GPIO_Init函数在gpio.c文件中，内容具体如下

gpio.c¶

void MX_GPIO_Init(void)
{

   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

   /* GPIO Ports Clock Enable */
   __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();                                      //使能GPIOG时钟

   /*Configure GPIO pin : PtPin */
   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;                         //配置所需控制的引脚
   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;          //配置为推挽输出模式
   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;                          //配置上拉模式
   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;   //配置速率为LOW
   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct); //初始化配置
}

当我们想要使能任何一个外设的时候都需要使能相对应的外设时钟，代码中使用了__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE宏来开启时钟，关于外设时钟我们在后面章节中细讲。

HAL库使用GPIO_InitTypeDef结构体来描述一个GPIO引脚的信息。结构体原型如下所示

stm32mp1xx_hal_gpio.h¶

typedef struct
{
   uint32_t Pin;       //指定需要配置的引脚
   uint32_t Mode;      //配置引脚模式
   uint32_t Pull;      //是否使用上拉/下来
   uint32_t Speed;     //配置引脚的速度
   uint32_t Alternate;  //引脚复用功能设置

}GPIO_InitTypeDef;

在MX_GPIO_Init函数中，在STM32CubeIDE上对于引脚的配置信息被转化为了GPIO_InitTypeDef结构体成员。

其中LED1_Pin以及LED1_GPIO_Port定义在main.h文件中，这里的宏定义名称是根据 STM32CubeIDE上的 User Label 上的自定义生成的，如下所示

main.h¶

#define LED1_Pin GPIO_PIN_2
#define LED1_GPIO_Port GPIOG

而 GPIO_PIN_2、GPIO_MODE_OUTPUT_PP、GPIO_PULLUP、GPIO_SPEED_FREQ_LOW 这些宏均定义在stm32mp1xx_hal_gpio.h头文件中，

stm32mp1xx_hal_gpio.h¶

.......................
#define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001U)  /* Pin 0 selected    */
#define GPIO_PIN_1                 ((uint16_t)0x0002U)  /* Pin 1 selected    */
#define GPIO_PIN_2                 ((uint16_t)0x0004U)  /* Pin 2 selected    */
#define GPIO_PIN_3                 ((uint16_t)0x0008U)  /* Pin 3 selected    */
#define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010U)  /* Pin 4 selected    */
............................

#define  GPIO_MODE_INPUT                        ((uint32_t)0x00000000U)   /*!< Input Floating Mode                   */
#define  GPIO_MODE_OUTPUT_PP                    ((uint32_t)0x00000001U)   /*!< Output Push Pull Mode                 */
#define  GPIO_MODE_OUTPUT_OD                    ((uint32_t)0x00000011U)   /*!< Output Open Drain Mode                */
#define  GPIO_MODE_AF_PP                        ((uint32_t)0x00000002U)   /*!< Alternate Function Push Pull Mode     */
#define  GPIO_MODE_AF_OD                        ((uint32_t)0x00000012U)   /*!< Alternate Function Open Drain Mode    */
....................................

#define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW         ((uint32_t)0x00000000U)  /*!< Low speed     */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      ((uint32_t)0x00000001U)  /*!< Medium speed  */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH        ((uint32_t)0x00000002U)  /*!< Fast speed    */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH   ((uint32_t)0x00000003U)  /*!< High speed    */
....................................

#define  GPIO_NOPULL        ((uint32_t)0x00000000U)   /*!< No Pull-up or Pull-down activation  */
#define  GPIO_PULLUP        ((uint32_t)0x00000001U)   /*!< Pull-up activation                  */
#define  GPIO_PULLDOWN      ((uint32_t)0x00000002U)   /*!< Pull-down activation                */
........................

而想知道这些宏是怎么样起作用的就得深入了解HAL_GPIO_Init函数以及数据手册中了。 HAL_GPIO_Init函数定义在stm32mp1xx_hal_gpio.c中，原型如下所示

stm32mp1xx_hal_gpio.c¶

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
   uint32_t position;
   uint32_t ioposition;
   uint32_t iocurrent;
   uint32_t temp;
   EXTI_Core_TypeDef * EXTI_CurrentCPU;

   #if defined(CORE_CM4)
   EXTI_CurrentCPU = EXTI_C2; /* EXTI for CM4 CPU */
   #else
   EXTI_CurrentCPU = EXTI_C1; /* EXTI for CA7 CPU */
   #endif

   /**************************第一部分*********************************/

   /* Check the parameters */
   assert_param(IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx));
   assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin));
   assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_Init->Mode));
   assert_param(IS_GPIO_PULL(GPIO_Init->Pull));

   /**************************第二部分*********************************/

   /* Configure the port pins */
   for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++)
   {
      /* Get the IO position */
      ioposition = ((uint32_t)0x01) << position;
      /* Get the current IO position */
      iocurrent = (uint32_t)(GPIO_Init->Pin) & ioposition;

      if(iocurrent == ioposition)
      {
         /*--------------------- GPIO Mode Configuration ------------------------*/
         /* In case of Alternate function mode selection */

         /*省略部分没有本次初始化中没有执行到的代码*/

         /**************************第三部分*********************************/

         /* Configure IO Direction mode (Input, Output, Alternate or Analog) */
         temp = GPIOx->MODER;
         temp &= ~(GPIO_MODER_MODER0 << (position * 2));
         temp |= ((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE) << (position * 2));
         GPIOx->MODER = temp;


         /**************************第四部分*********************************/
         /* In case of Output or Alternate function mode selection */
         if((GPIO_Init->Mode == GPIO_MODE_OUTPUT_PP) || (GPIO_Init->Mode == GPIO_MODE_AF_PP) ||
            (GPIO_Init->Mode == GPIO_MODE_OUTPUT_OD) || (GPIO_Init->Mode == GPIO_MODE_AF_OD))
         {
            /* Check the Speed parameter */
            assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
            /* Configure the IO Speed */
            temp = GPIOx->OSPEEDR;
            temp &= ~(GPIO_OSPEEDR_OSPEEDR0 << (position * 2));
            temp |= (GPIO_Init->Speed << (position * 2));
            GPIOx->OSPEEDR = temp;

            /* Configure the IO Output Type */
            temp = GPIOx->OTYPER;
            temp &= ~(GPIO_OTYPER_OT0 << position) ;
            temp |= (((GPIO_Init->Mode & GPIO_OUTPUT_TYPE) >> 4) << position);
            GPIOx->OTYPER = temp;
         }

         /**************************第五部分*********************************/
         /* Activate the Pull-up or Pull down resistor for the current IO */
         temp = GPIOx->PUPDR;
         temp &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR0 << (position * 2));
         temp |= ((GPIO_Init->Pull) << (position * 2));
         GPIOx->PUPDR = temp;

          /*省略部分没有本次初始化中没有执行到的代码*/
   }
}

第一部分 基本上每个库函数的开头都会有这样类似的内容，这里的“assert_param”实际是一个宏，在库函数中它用于检查输入参数是否符合要求，若不符合要求则执行某个函数输出警告，其定义代码如下

stm32mp1xx_hal_conf.c¶

/* Exported macro ------------------------------------------------------------*/
#ifdef  USE_FULL_ASSERT
   /**
   * @brief  The assert_param macro is used for function's parameters check.
   * @param  expr: If expr is false, it calls assert_failed function
   *         which reports the name of the source file and the source
   *         line number of the call that failed.
   *         If expr is true, it returns no value.
   * @retval None
   */
   #define assert_param(expr) ((expr) ? (void)0U : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))
   /* Exported functions ------------------------------------------------------- */
   void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);
   #else
   #define assert_param(expr) ((void)0U)
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

这段代码的意思是，假如我们不定义“USE_FULL_ASSERT”宏，那么“assert_param”就是一个空的宏(#else 与#endif 之间的语句生效)，没有任何操作。从而所有库函数中的assert_param实际上都无意义。而在工程中“USE_FULL_ASSERT”宏并没有被定义。

第二部分 采用了一个for循环，GPIO_NUMBER的宏定义是16，也就是说，以下的代码都会被循环16次，对应着一组GPIO有16个引脚，而在对GPIO_Init->Pin结构体成员进行赋值的时候可以采用“或|”的操作将同组GPIO的引脚组合在一起，如 “GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1”的形式，得到的GPIO_Init->Pin值就为00000000 00000011B。通过判断哪一位的中的数值为1，则表明该引脚需要被初始化。这里GPIO_PIN_n中的n编号就被确定下来了。

第三部分 HAL使用了GPIO_TypeDef结构体来描述一个GPIO组的寄存器，其结构体原型如下所示

stm32mp157axx_cm4.h¶

typedef struct
{
__IO uint32_t MODER;           /*!< GPIO port mode register,                      Address offset: 0x000 */
__IO uint32_t OTYPER;          /*!< GPIO port output type register,               Address offset: 0x004 */
__IO uint32_t OSPEEDR;         /*!< GPIO port output speed register,              Address offset: 0x008 */
__IO uint32_t PUPDR;           /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,         Address offset: 0x00C */
__IO uint32_t IDR;             /*!< GPIO port input data register,                Address offset: 0x010 */
__IO uint32_t ODR;             /*!< GPIO port output data register,               Address offset: 0x014 */
__IO uint32_t BSRR;            /*!< GPIO port bit set/reset register,             Address offset: 0x018 */
__IO uint32_t LCKR;            /*!< GPIO port configuration lock register,        Address offset: 0x01C */
__IO uint32_t AFR[2];          /*!< GPIO alternate function registers,            Address offset: 0x020-0x024 */
__IO uint32_t BRR;             /*!< GPIO port bit reset register,                 Address offset: 0x028 */
      uint32_t RESERVED0;       /*!< Reserved,                                     Address offset: 0x02C */
__IO uint32_t SECCFGR;         /*!< GPIO secure configuration register for GPIOZ, Address offset: 0x030 */
      uint32_t RESERVED1[229];  /*!< Reserved,                                     Address offset: 0x034-0x3C4 */
__IO uint32_t HWCFGR10;        /*!< GPIO hardware configuration register 10,      Address offset: 0x3C8 */
__IO uint32_t HWCFGR9;         /*!< GPIO hardware configuration register 9,       Address offset: 0x3CC */
__IO uint32_t HWCFGR8;         /*!< GPIO hardware configuration register 8,       Address offset: 0x3D0 */
__IO uint32_t HWCFGR7;         /*!< GPIO hardware configuration register 7,       Address offset: 0x3D4 */
__IO uint32_t HWCFGR6;         /*!< GPIO hardware configuration register 6,       Address offset: 0x3D8 */
__IO uint32_t HWCFGR5;         /*!< GPIO hardware configuration register 5,       Address offset: 0x3DC */
__IO uint32_t HWCFGR4;         /*!< GPIO hardware configuration register 4,       Address offset: 0x3E0 */
__IO uint32_t HWCFGR3;         /*!< GPIO hardware configuration register 3,       Address offset: 0x3E4 */
__IO uint32_t HWCFGR2;         /*!< GPIO hardware configuration register 2,       Address offset: 0x3E8 */
__IO uint32_t HWCFGR1;         /*!< GPIO hardware configuration register 1,       Address offset: 0x3EC */
__IO uint32_t HWCFGR0;         /*!< GPIO hardware configuration register 0,       Address offset: 0x3F0 */
__IO uint32_t VERR;            /*!< GPIO version register,                        Address offset: 0x3F4 */
__IO uint32_t IPIDR;           /*!< GPIO identification register,                 Address offset: 0x3F8 */
__IO uint32_t SIDR;            /*!< GPIO size identification register,            Address offset: 0x3FC */
} GPIO_TypeDef;

GPIO_TypeDef结构体是怎么和实际物理上的寄存器对应起来的呢，让我们来看下了C语言中GPIOG的定义是什么，在stm32mp157axx_cm4.h可以找到以下定义

stm32mp157axx_cm4.h¶

#define GPIOG               ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define GPIOG_BASE            (MCU_AHB4_PERIPH_BASE + 0x8000)
#define MCU_AHB4_PERIPH_BASE        (PERIPH_BASE + 0x10000000)
#define PERIPH_BASE             ((uint32_t)0x40000000) /*!< Base address of : AHB/ABP Peripherals

根据计算我们可以得出GPIOG_BASE的值是0x5000 8000的地址。因此GPIOG在C语言中的定义可替换成以下的代码

1	#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *)0x50008000)

STM32MP157内部地址0x50008000被转化成了GPIO_TypeDef结构体类型指针，在stm32mp157的参考手册中搜索0x50008000，可找到如下的信息

0x50008000对应的正是GPIOG的寄存器基地址。让我们再看下GPIOG的寄存器地址排布

GPIO的各个寄存器偏移地址正好与GPIO_TypeDef结构体上成员偏移相对应起来。当我们操作GPIOG->MODER的时候，实际上也是对GPIOG_MODER寄存器操作。

让我们再次回到HAL_GPIO_Init函数中来。要想理解这部分的代码还需要知道GPIOG_MODER寄存器的具体的配置信息。同样在参考手册中查找GPIOx_MODER可以得到以下的信息

结合这部分就可以知道HAL_GPIO_Init中代码的意思了， GPIOx_MODER寄存器使用两位来表示GPIOx的每一个引脚的模式，代码中先读取GPIOx->MODER寄存器的值赋值给temp，并将我们需要设置的那两位寄存器清零，再将GPIO_Init->Mode(GPIO_MODE_OUTPUT_PP)的值写入temp，最后写入寄存器中。 (GPIO_MODER_MODER0的宏定义是3,GPIO_MODE的值也是3。表示两位全是1)。

GPIO_MODE_OUTPUT_PP的宏定义是0x1，在GPIOx_MODER中表示的是通用输出模式。

stm32mp1xx_hal_gpio.h¶

1	#define GPIO_MODE_OUTPUT_PP ((uint32_t)0x00000001U)

HAL就是这样将结构体GPIO_InitTypeDef中的Mode成员赋值给相对应的寄存器，可见HAL设计的巧妙之处。

第四部分 引脚的输出模式有很多种，推挽输出、开漏输出等，(复用开漏输出以及复用推挽输出都是输出模式) 所以还需要再对输出模式进行细分，并设置引脚的速度。从代码上看主要是对GPIOx_OSPEEDR以及GPIOx_OTYPER寄存器进行配置，再查看参考手册前先来做个推测，GPIOx_OSPEEDR寄存器应该也是使用两位的信息来配置引脚的速度，而GPIOx_OTYPER应该是使用一位的信息来表示推挽还是开漏输出。

在stm32mp157的参考手册中搜索这两个寄存器，可以得到以下信息。

将代码对应的宏一一填入寄存器中，可发现就是我们要设置的功能。

第五部分 这部分的代码设置了GPIOx_PUPDR寄存器，同样我们可以查询参考手册中的寄存器定义

GPIOx_PUPDR寄存器也是使用两位的信息表示一个GPIO引脚的上/下拉情况。

到这里我们详细讲解了在本工程中，HAL_GPIO_Init函数内部的执行情况，其他外设的初始化函数也是相同的，在没有库函数之前只能通过查询数据手册去配置一个个的寄存器，这显得很麻烦，而现在STM32CubeIDE这个软件已经能够让我们通过使用图形界面的方式来配置我们需要的引脚功能，在实际工作中能够大大提高我们的工作效率。HAL库让我们不需要将重心放在寄存器也能够随心得开发STM32，但是这不意味着我们可以忽略寄存器，在学习的过程中，建议在配置外设驱动时能够看下参考手册中寄存器的配置，学会了寄存器的配置就学会了各类单片机外设的控制。

7.3.3.4. GOIO外设的库函数操作¶

HAL为每个外设都提供了一个.c文件和一个.h文件， stm32mp1xx_hal_gpio.c和stm32mp1xx_hal_gpio.h包含了所有的GPIO操作操作相关的内容，各个库函数的本质也是在于对内部寄存器的封装， GPIO操作的函数如下所示。

stm32mp1xx_hal_gpio.h¶

void  HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);
void  HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef  *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_EXTI_Rising_Callback(uint16_t GPIO_Pin);
void HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback(uint16_t GPIO_Pin);

根据函数的名字我们不难猜到各个函数的功能是什么，在这节的工程中，我们使用了HAL_GPIO_TogglePin函数实现LED 的电平翻转，同时我们也可以使用HAL_GPIO_WritePin函数对GPIO引脚电平进行置位。使用HAL_GPIO_ReadPin函数读取 GPIO引脚的电平状态，在下一个章节中我们将介绍如何使用按键控制板子上LED的亮灭。

7.3.4. 下载验证¶

本章节中使用到的工程代码和之前章节中创建新工程章节代码一模一样，实验现象也是相同。