12. GPIO输出—使用固件库点亮LED

本章参考资料：《STM32H743xx参考手册》、库帮助文档《STM32H753xx_User_Manual.chm》。

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STM32H7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。

LED硬件原理图

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STM32HAL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

  1. 使能GPIO端口时钟；

  2. 初始化GPIO目标引脚为推挽输出模式；

  3. 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:GPIO输出-1 。

代码清单:GPIO输出-1 LED控制引脚相关的宏
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//引脚定义
/*******************************************************/
//R 红色灯
#define LED1_PIN                  GPIO_PIN_0
#define LED1_GPIO_PORT            GPIOB
#define LED1_GPIO_CLK_ENABLE()    __GPIOB_CLK_ENABLE()

//G 绿色灯
#define LED2_PIN                  GPIO_PIN_1
#define LED2_GPIO_PORT            GPIOB
#define LED2_GPIO_CLK_ENABLE()    __GPIOB_CLK_ENABLE()

//B 蓝色灯
#define LED3_PIN                  GPIO_PIN_3
#define LED3_GPIO_PORT            GPIOA
#define LED3_GPIO_CLK_ENABLE()    __GPIOA_CLK_ENABLE()

/************************************************************/

以上代码分别把控制三色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，以达到应用代码硬件无关的效果。

其中的GPIO时钟宏“__GPIOH_CLK_ENABLE()”和“__GPIOD_CLK_ENABLE()”是STM32HAL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:GPIO输出-2 。

代码清单:GPIO输出-2 控制LED亮灭的宏
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/** 控制LED灯亮灭的宏，
* LED低电平亮，设置ON=0，OFF=1
* 若LED高电平亮，把宏设置成ON=1 ，OFF=0 即可
*/
#define ON  GPIO_PIN_RESET
#define OFF GPIO_PIN_SET

/* 带参宏，可以像内联函数一样使用 */
#define LED1(a) HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN,a)


#define LED2(a) HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN,a)


#define LED3(a) HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_PORT,LED3_PIN,a)


/* 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=<<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，具体见 代码清单:GPIO输出-3 。

代码清单:GPIO输出-3 LED GPIO初始化函数
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/**
* @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_InitStruct;

    /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/
    LED1_GPIO_CLK_ENABLE();
    LED2_GPIO_CLK_ENABLE();
    LED3_GPIO_CLK_ENABLE();

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStruct.Pin = LED1_PIN;

    /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/
    GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    /*设置引脚为上拉模式*/
    GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_PULLUP;

    /*设置引脚速率为高速 */
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_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_InitStruct);

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStruct.Pin = LED2_PIN;
    HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    /*选择要控制的GPIO引脚*/
    GPIO_InitStruct.Pin = LED3_PIN;
    HAL_GPIO_Init(LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    /*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了，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：

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 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。

(5) 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，具体见 代码清单:GPIO输出-4 。

代码清单:GPIO输出-4 控制LED灯 ，main文件
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#include "stm32h7xx.h"
#include "main.h"
#include "./led/bsp_led.h"
#include "./delay/core_delay.h"
/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    /* 系统时钟初始化成480MHz */
    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480MHz，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_stm32h7xx.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，会发现标准库中的函数内容多了一些乱七八糟的东西，见 代码清单:GPIO输出-5 。

代码清单:GPIO输出-5 HAL_GPIO_Init函数的断言部分（stm32h7xx_hal_gpio.c文件）
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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;
    EXTI_Core_TypeDef * EXTI_Ptr = EXTI_D1;


    /* 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:GPIO输出-6 。

代码清单:GPIO输出-6 stm32h7xx_hal_conf.h文件中关于断言的定义（stm32h7xx_hal_conf.h文件）
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#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:GPIO输出-7 。

代码清单:GPIO输出-7 assert_failed 输出错误信息
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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);
}

小技巧

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:GPIO输出-8 。

代码清单:GPIO输出-8 Doxygen注释规范
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/**
* @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《STM32H753xx_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:GPIO输出-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:GPIO输出-9 防止头文件重复包含的宏（bsp_led.h文件）
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#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 “stm32h7xx.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 “stm32h7xx.h””， 这个时候“stm32h7xx.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stm32h7xx.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。