12. GPIO输出—使用固件库点亮LED¶
本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、《Cortex®-M4 编程手册》。
利用库建立好的工程模板，就可以方便地使用STM32 HAL库库编写应用程序了，可以说从这一章我们才开始迈入STM32F4开发的大门。
LED灯的控制使用到GPIO外设的基本输出功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了， 可重读前面“GPIO框图剖析”小节，STM32 HAL库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与“定义引脚模式的枚举类型”小节中讲解的相同。
12.1. 硬件设计¶
本实验板连接了一个RGB彩灯及一个普通LED灯，RGB彩灯实际上由三盏分别为红色、绿色、蓝色的LED灯组成，通过控制RGB颜色强度的组合，可以混合出各种色彩。
这些LED灯的阴极都是连接到STM32的GPIO引脚，只要我们控制GPIO引脚的电平输出状态，即可控制LED灯的亮灭。图中左上方，其中彩灯的阳极连接到的一个电路图符号“口口”，它表示引出排针，即此处本身断开，须通过跳线帽连接排针，把电源跟彩灯的阳极连起来，实验时需注意。
若您使用的实验板LED灯的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。
12.2. 软件设计¶
这里只讲解核心部分的代码，有些变量的设置，头文件的包含等可能不会涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。
为了使工程更加有条理，我们把LED灯控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_led.c”及“bsp_led.h”文件，其中的“bsp”即Board Support Packet的缩写(板级支持包)，这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32 HAL库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。
12.2.1. 编程要点¶
使能GPIO端口时钟；
初始化GPIO目标引脚为推挽输出模式；
编写简单测试程序，控制GPIO引脚输出高、低电平。
12.2.2. 代码分析¶
12.2.2.1. LED灯引脚宏定义¶
在编写应用程序的过程中，要考虑更改硬件环境的情况，例如LED灯的控制引脚与当前的不一样，我们希望程序只需要做最小的修改即可在新的环境正常运行。 这个时候一般把硬件相关的部分使用宏来封装，若更改了硬件环境，只修改这些硬件相关的宏即可，这些定义一般存储在头文件，即本例子中的“bsp_led.h”文件中，见 代码清单12_1。
代码清单 12‑1 LED控制引脚相关的宏
//引脚定义
/*******************************************************/
//R 红色灯
#define LED1_PIN GPIO_PIN_10
#define LED1_GPIO_PORT GPIOH
#define LED1_GPIO_CLK() __GPIOH_CLK_ENABLE()
//G 绿色灯
#define LED2_PIN GPIO_PIN_11
#define LED2_GPIO_PORT GPIOH
#define LED2_GPIO_CLK() __GPIOH_CLK_ENABLE()
//B 蓝色灯
#define LED3_PIN GPIO_PIN_12
#define LED3_GPIO_PORT GPIOH
#define LED3_GPIO_CLK() __GPIOH_CLK_ENABLE()
/************************************************************/
以上代码分别把控制三盏LED灯的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。在实际控制的时候我们就直接用这些宏，以达到应用代码跟硬件无关的效果。
其中的GPIO时钟宏“__GPIOH_CLK_ENABLE()”和“__GPIOD_CLK_ENABLE()” 是STM32 HAL库定义的GPIO端口时钟相关的宏， 它的作用与“GPIO_PIN_x”这类宏类似，是用于指示寄存器位的，方便库函数使用。它们分别指示GPIOH、GPIOD的时钟，下面初始化GPIO时钟的时候可以看到它的用法。
12.2.2.2. 控制LED灯亮灭状态的宏定义¶
为了方便控制LED灯，我们把LED灯常用的亮、灭及状态反转的控制也直接定义成宏，见 代码清单12_2。
代码清单 12‑2 控制LED亮灭的宏
/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define digitalHi(p,i) {p->BSRR=i;} //设置为高电平
#define digitalLo(p,i) {p->BSRR=(uint32_t)i << 16;} //输出低电平
#define digitalToggle(p,i) {p->ODR ^=i;} //输出反转状态
/* 定义控制IO的宏 */
#define LED1_TOGGLE digitalToggle(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
#define LED1_OFF digitalHi(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
#define LED1_ON digitalLo(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
#define LED2_TOGGLE digitalToggle(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
#define LED2_OFF digitalHi(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
#define LED2_ON digitalLo(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
#define LED3_TOGGLE digitalToggle(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
#define LED3_OFF digitalHi(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
#define LED3_ON digitalLo(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
/* 基本混色，后面高级用法使用PWM可混出全彩颜色,且效果更好 */
//红
#define LED_RED \
LED1_ON;\
LED2_OFF\
LED3_OFF
//绿
#define LED_GREEN \
LED1_OFF;\
LED2_ON\
LED3_OFF
//蓝
#define LED_BLUE \
LED1_OFF;\
LED2_OFF\
LED3_ON
//黄(红+绿)
#define LED_YELLOW \
LED1_ON;\
LED2_ON\
LED3_OFF
//紫(红+蓝)
#define LED_PURPLE \
LED1_ON;\
LED2_OFF\
LED3_ON
//青(绿+蓝)
#define LED_CYAN \
LED1_OFF;\
LED2_ON\
LED3_ON
//白(红+绿+蓝)
#define LED_WHITE \
LED1_ON;\
LED2_ON\
LED3_ON
//黑(全部关闭)
#define LED_RGBOFF \
LED1_OFF;\
LED2_OFF\
LED3_OFF
这部分宏控制LED亮灭的操作是直接向BSRR寄存器写入控制指令来实现的，对BSRR低16位写1输出高电平，对BSRR高16位写1输出低电平，对ODR寄存器某位进行异或操作可反转位的状态。
RGB彩灯可以实现混色，如最后一段代码我们控制红灯和绿灯亮而蓝灯灭，可混出黄色效果。
代码中的“\”是C语言中的续行符语法，表示续行符的下一行与续行符所在的代码是同一行。代码中因为宏定义关键字“#define”只是对当前行有效，所以我们使用续行符来连接起来，以下的代码是等效的：
#define LED_YELLOW LED1_ON; LED2_ON; LED3_OFF
应用续行符的时候要注意，在“”后面不能有任何字符(包括注释、空格)，只能直接回车。
12.2.2.3. LED GPIO初始化函数¶
利用上面的宏，编写LED灯的初始化函数，见 代码清单12_3。
代码清单 12‑3 LED GPIO初始化函数
/**
* @brief 初始化控制LED的IO
* @param 无
* @retval 无
*/
void LED_GPIO_Config(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*开启LED相关的GPIO外设时钟*/
LED1_GPIO_CLK_ENABLE();
LED2_GPIO_CLK_ENABLE();
LED3_GPIO_CLK_ENABLE();
LED4_GPIO_CLK_ENABLE();
/*选择要控制的GPIO引脚*/
GPIO_InitStructure.Pin = LED1_PIN;
/*设置引脚的输出类型为推挽输出*/
GPIO_InitStructure. Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
/*设置引脚为上拉模式*/
GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;
/*设置引脚速率为高速*/
GPIO_InitStructure. Speed = GPIO_SPEED_HIGH;
/*调用库函数，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/
HAL_GPIO_Init (LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/*选择要控制的GPIO引脚*/
GPIO_InitStructure.Pin = LED2_PIN;
HAL_GPIO_Init (LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/*选择要控制的GPIO引脚*/
GPIO_InitStructure. Pin = LED3_PIN;
HAL_GPIO_Init (LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/*选择要控制的GPIO引脚*/
GPIO_InitStructure. Pin = LED4_PIN;
HAL_GPIO_Init (LED4_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/*关闭RGB灯*/
LED_RGBOFF;
}
整个函数与“构建库函数雏形”章节中的类似，主要区别是硬件相关的部分使用宏来代替，初始化GPIO端口时钟时也采用了STM32库函数，函数执行流程如下：
使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。
调用宏定义函数LED1_GPIO_CLK_ENABLE()来使能LED灯的GPIO端口时钟，在前面的章节中我们是直接向RCC寄存器赋值来使能时钟的， 不如这样直观。该函数在HAL库里边将操作寄存器部分封装起来，直接调用宏即可。
向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成推挽输出模式，其中的GPIO_PIN使用宏“LEDx_PIN”来赋值，使函数的实现方便移植。
使用以上初始化结构体的配置，调用HAL_GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化， 这里的GPIO端口使用“LEDx_GPIO_PORT”宏来赋值，也是为了程序移植方便。
使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它LED灯使用的GPIO引脚。
12.2.2.4. 主函数¶
编写完LED灯的控制函数后，就可以在main函数中测试了，见 代码清单12_4。
代码清单 12‑4 控制LED灯 ，main文件
int main(void)
{
/* 系统时钟初始化成180 MHz */
SystemClock_Config();
/* LED 端口初始化 */
LED_GPIO_Config();
/* 控制LED灯 */
while (1) {
LED1( ON ); // 亮
HAL_Delay(1000);
LED1( OFF ); // 灭
HAL_Delay(1000);
LED2( ON ); // 亮
HAL_Delay(1000);
LED2( OFF ); // 灭
LED3( ON ); // 亮
HAL_Delay(1000);
LED3( OFF ); // 灭
/*轮流显示 红绿蓝黄紫青白 颜色*/
LED_RED;
HAL_Delay(1000);
LED_GREEN;
HAL_Delay(1000);
LED_BLUE;
HAL_Delay(1000);
LED_YELLOW;
HAL_Delay(1000);
LED_PURPLE;
HAL_Delay(1000);
LED_CYAN;
HAL_Delay(1000);
LED_WHITE;
HAL_Delay(1000);
LED_RGBOFF;
HAL_Delay(1000);
}
}
在main函数中，调用SystemClock_Config函数初始化系统的时钟为180MHz，所有程序都必须设置好系统的时钟再进行其他操作，具体设置将在RCC时钟章节详细讲解，接着调用我们前面定义的LED_GPIO_Config初始化好LED的控制引脚，然后直接调用各种控制LED灯亮灭的宏来实现LED灯的控制，延时采用库自带基于滴答时钟延时HAL_Delay单位为ms，直接调用即可，这里HAL_Delay(1000)表示延时1s。
以上，就是一个使用STM32 HAL软件库开发应用的流程。
12.2.3. 下载验证¶
把编译好的程序下载到开发板并复位，可看到RGB彩灯轮流显示不同的颜色。
12.3. STM32 HAL库补充知识¶
12.3.1. SystemInit函数去哪了？¶
在前几章我们自己建工程的时候需要定义一个SystemInit空函数，但是在这个用STM32 HAL库的工程却没有这样做，SystemInit函数去哪了呢？
这个函数在STM32 HAL库的“system_stm32f4xx.c”文件中定义了，而我们的工程已经包含该文件。
12.3.2. 断言¶
细心对比过前几章我们自己定义的GPIO_Init函数与STM32 HAL库中同名函数的读者，会发现HAL库中的函数内容多了一些乱七八糟的东西， 见 代码清单12_5。
代码清单 12‑5 HAL_GPIO_Init函数的断言部分
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
uint32_t position = 0x00;
uint32_t ioposition = 0x00;
uint32_t iocurrent = 0x00;
uint32_t temp = 0x00;
/* 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));
/* ------- 以下内容省略，跟前面我们定义的函数内容相同----- */
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， “assert_param”的定义见 代码清单12_6。
代码清单 12‑6 stm32f1xx_hal_conf.h文件中关于断言的定义
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/*
* @brief assert_param 宏用于函数的输入参数检查
* @param expr:若expr值为假，则调用assert_failed函数
* 报告文件名及错误行号
* 若expr值为真，则不执行操作
*/
#define assert_param(expr)
((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))
/* 错误输出函数------------------------------------------------------- */
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);
#else
#define assert_param(expr) ((void)0)
#endif
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，我们就当看不见好了。
假如我们定义了“USE_FULL_ASSERT”宏，那么“assert_param”就是一个有操作的语句(#if与#else之间的语句生效)，该宏对参数expr使用C语言中的问号表达式进行判断，若expr值为真，则无操作(void 0)，若表达式的值为假，则调用“assert_failed”函数，且该函数的输入参数为“__FILE__”及“__LINE__”，这两个参数分别代表 “assert_param”宏被调用时所在的“文件名”及“行号”。
但库文件只对“assert_failed”写了函数声明，没有写函数定义，实际用时需要用户来定义，我们一般会用printf函数来输出这些信息， 见 代码清单12_7。
代码清单 12‑7 assert_failed 输出错误信息
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{
printf(“\r\n 输入参数错误，错误文件名=%s,行号=%s”,file,line);
}
注意在我们的这个LED工程中，还不支持printf函数(在USART外设章节会讲解)，想测试assert_failed输出的读者， 可以在这个函数中做点亮红色LED灯的操作，作为警告输出测试。
那么为什么函数输入参数不对的时候，assert_param宏中的expr参数值会是假呢？ 这要回到HAL_GPIO_Init函数，看它对assert_param宏的调用，它被调用时分别以“IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx)”、 “IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin)”等作为输入参数，也就是说被调用时，expr实际上是一条针对输入参数的判断表达式。例如“IS_GPIO_PIN”的宏定义：
#define IS_GPIO_PIN(__PIN__) ((((__PIN__)&GPIO_PIN_MASK)!= (uint32_t)0x00))
若它的输入参数 PIN值为0，则表达式的值为假，PIN非0时表达式的值为真。 我们知道用于选择GPIO引脚号的宏“GPIO_PIN_x”的值至少有一个数据位为1，这样的输入参数才有意义，若GPIO_InitStruct-> Pin的值为0，输入参数就无效了。配合IS_GPIO_PIN”这句表达式，“assert_param”就实现了检查输入参数的功能。 对assert_param宏的其它调用方式类似，大家可以自己看库源码来研究一下。
12.3.3. Doxygen注释规范¶
在STM32 HAL库以及我们自己编写的“bsp_led.c”文件中，可以看到一些比较特别的注释， 类似 代码清单12_8。
代码清单 12‑8 Doxygen注释规范
/*
* @brief 初始化控制LED的IO
* @param 无
* @retval 无
*/
这是一种名为“Doxygen”的注释规范，如果在工程文件中按照这种规范去注释，可以使用Doxygen软件自动根据注释生成帮助文档。我们所说非常重要的库帮助文档《STM32F479xx_User_Manual.chm》，就是由该软件根据库文件的注释生成的。关于Doxygen注释规范本教程不作讲解，感兴趣的读者可自行搜索网络上的资料学习。
12.3.4. 防止头文件重复包含¶
在STM32 HAL库的所有头文件以及我们自己编写的“bsp_led.h”头文件中，可看到类似 代码清单12_9 的宏定义。它的功能是防止头文件被重复包含，避免引起编译错误。
代码清单 12‑9 防止头文件重复包含的宏
#ifndef __LED_H
#define __LED_H
/*此处省略头文件的具体内容*/
#endif /* end of __LED_H */
在头文件的开头，使用“#ifndef”关键字，判断标号“__LED_H”是否被定义，若没有被定义，则从“#ifndef”至“#endif”关键字之间的内容都有效， 也就是说，这个头文件若被其它文件“#include”，它就会被包含到其该文件中了，且头文件中紧接着使用“#define”关键字定义上面判断的标号“__LED_H”。 当这个头文件被同一个文件第二次“#include”包含的时候， 由于有了第一次包含中的“#define __LED_H”定义，这时再判断“#ifndef __LED_H”， 判断的结果就是假了，从“#ifndef”至“#endif”之间的内容都无效，从而防止了同一个头文件被包含多次， 编译时就不会出现“redefine（重复定义）”的错误了。
一般来说，我们不会直接在C的源文件写两个“#include”来包含同一个头文件，但可能因为头文件内部的包含导致重复， 这种代码主要是避免这样的问题。如“bsp_led.h”文件中使用了“#include “stm32F429xx.h” ”语句，按习惯， 可能我们写主程序的时候会在main文件写“#include “bsp_led.h” 及#include “stm32F429xx.h””， 这个时候“stm32F429xx.h”文件就被包含两次了，如果没有这种机制，就会出错。
至于为什么要用两个下划线来定义“__LED_H”标号，其实这只是防止它与其它普通宏定义重复了，如我们用“GPIO_PIN_0”来代替这个判断标号，就会因为stm32F429xx.h已经定义了GPIO_PIN_0，结果导致“bsp_led.h”文件无效了，“bsp_led.h”文件一次都没被包含。