GPIO (General Purpose Input-Output) — это выводы общего назначения, ноги микроконтроллера, доступные для прямого управления. Это обычно довольно дефицитный ресурс во многих популярных МК, но с STM32 эта проблема теряет актуальность: в самом мелком корпусе (LQFP48) доступно 37 GPIO, а в самом большом (LQFP176) — 140 GPIO. И всё это богатство ещё и настраивается вдоль и поперёк. Но, обо всём по порядку.

Для начала откроем руководство по STM32F100xx и взглянем на схему вывода порта:

Сами МК питаются 3.3 В, но до сих пор ещё активно используются 5-вольтовые микросхемы и логика, а их нужно как-то подключать. Поэтому в STM32 большинство выводов «толерантны» к 5 В — уж не знаю, как ещё перевести термин «5 V tolerant». То есть, они могут принимать на вход 5 В без какой-либо угрозы их здоровью.

Толерантный пин отличается от обычного только тем, что у него верхний защитный диод подключён к Vdd_ft вместо Vdd. Из этой схемы становится понятно, что хоть выводы и толерантны к 5 В на вход, но вот выдавать 5 В на выход не могут — тут уже нужен транзистор. Если нужно получить логическую единичку, то это не проблема — 3.3 В вполне распознаются 5-вольтовой логикой как 1, но если нужно именно 5 В, то есть решение — режим Open-drain у GPIO.

Всего у STM32F10x режимов GPIO имеется 8.

Выход общего назначения:

• Push-pull, стандартный выход: выставляешь 0 в выходном регистре — получаешь низкий уровень на выходе, выставляешь 1 — получаешь высокий.
• Open-drain (открытый сток, аналог открытого коллектора): вывод подключен к стоку N-MOS полевика в то время, как P-MOS полевик заперт, что позволяет управлять нагрузкой с большим напряжением, чем Vdd (3.3 В). Кому там нужно 5 В на выход? Ниже я расскажу, как их получить.

Выход с альтернативной функцией (для периферии типа SPI, UART):

• Push-pull
• Open-drain

Вход:

• Analog, аналоговый высокоимпендансный: подтягивающие резисторы и триггер Шмитта отключены. Используется при работе с АЦП.
• Floating, обычный высокоимпендансный: подтягивающие резисторы отключены, триггер Шмитта включен.
• Pull-up, вход с подтяжкой к питанию.
• Pull-down, вход с прижатием у к «земле».

Как водится, линии GPIO объединены в порты, в STM32 — по 16 линий, поэтому нумеруются они с 0 по 15: PA0, PA1 .. PA15 — это линии порта A, например. Линии порта управляются программно с помощью нескольких регистров.

GPIOx_CRL и GPIOx_CRH — регистры конфигурации, содержат настройки режима (вход/выход) и частоты GPIO. Доступны на чтение и запись.

GPIOx_IDR и GPIOx_ODR — входной и выходной регистры: в первом хранится считанное со входов порта значение, во второй записывается новое состояние выводов. GPIOx_IDR доступен только на чтение, а GPIOx_ODR — на чтение и запись.

GPIOx_BSRR и GPIOx_BRR — регистры атомарного изменения битов в GPIOx_ODR.
Обычно, если нужно установить бит в регистре периферии, то его сначала нужно прочитать, потом применить побитовое ‘ИЛИ’ к считанному значению и битовой маске, после чего записать новое значение назад в регистр. То же и со сбросом битов, только маску нужно инвертировать и применить побитовое ‘И’. А вот запись значений в GPIOx_BSRR и GPIOx_BRR изменяет только те биты выходного регистра, которые были установлены в единицу, притом происходит это за 1 такт, так что прерывание не сможет ворваться и всё испортить. Проиллюстрирую кодом:

const uint32_t mask = 1 << 4;
/* Установить 5й бит порта A, эквивалент: GPIOA_ODR |= mask */
GPIOA_BSRR = mask;
/* Сбросить 5й бит, эквивалент: GPIOA_ODR &= ~mask */
GPIOA_BRR = mask;

Оба регистра доступны только на запись.

Всё это я рассказал для общего развития, а мы пока абстрагируемся от этих деталей, и будем всё делать через библиотеку SPL - с регистрами возится на данном этапе не резон.

В структуре GPIO_InitTypeDef из SPL, которую мы использовали в предыдущем уроке для инициализации GPIO, за режим отвечает поле GPIO_Mode, а константы для его заполнения имеют следующие имена:

• GPIO_Mode_Out_PP - выход push-pull
• GPIO_Mode_Out_OD - выход open-drain
• GPIO_Mode_AF_PP - альтернативная функция, push-pull
• GPIO_Mode_AF_OD - альтернативная функция, open-drain
• GPIO_Mode_AIN - аналоговый высокоимпендансный вход
• GPIO_Mode_IN_FLOATING - высокоимпендансный
• GPIO_Mode_IPU - вход с подтяжкой к питанию
• GPIO_Mode_IPD - вход с прижатием к земле

Подсмотреть это и многое другое можно в заголовочном файле stm32f10x_gpio.h, а в руководстве можно узреть ещё много интересного, включая детальные описания режимов и таблицу с описанием режимов GPIO для разной периферии - UART, SPI, I2C и др.

Пример инициализации GPIO для модуля USART1 и самого модуля на STM32VLDiscovery:

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef gpio;
GPIO_StructInit(&gpio);

/* TX: выход push-pull */
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

/* RX: высокоимпендансный вход */
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
USART_InitTypeDef usart;
/* Параметры по умолчанию: 9600 бод, 8 бит данных, 1 стоп-бит */
USART_StructInit(&usart);
USART_Init(USART1, &usart);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

Что касается режима Open-drain, тут всё не так прямолинейно, как с другими режимами. Так как устройство, которым предполагается управлять, подключено к открытому стоку, нужно чуть более сложное соединение, чем обычно, а управление будет инверсное: выставляешь выход в 1 - ток с верхнего резистора идёт на землю, устройство видит на линии 0; выставляешь 0 - полевик запирается, ток идёт на устройство, на линии уровень 1.

Разработчики STM32 также позаботились об энергопотреблении и о снижении уровня помех, предусмотрев настройку частоты: по сути, входной и в ыходной регистры GPIO тактируются от отдельного источника, что позволяет задать свою частоту каждой ножке МК. Для STM32F10x доступны 3 частоты, которые представлены константами:

• GPIO_Speed_10MHz
• GPIO_Speed_2MHz
• GPIO_Speed_50MHz

Разумеется, частота GPIO не должна превышать частоту ядра (:

Ещё одна и интересная функция - переназначение выводов. Она позволяет переназначить выводы периферии с обычных на альтернативные, тоже фиксированные - впрочем, это не умаляет ценности данной функции: например, для USART1 можно переназначить TX с PA9 на PB6, а RX с PA10 на PB7. Если взглянуть на распиновку МК, можно увидеть, что обычные и альтернативные выводы находятся на разных сторонах кристалла, так что в разводке платы это в любом случае поможет:

А включается переназначение вот так:

/* Сначала нужно затактировать модуль AFIO,
 * управляющий альтернативными функциями.
 */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
/* Переназначаем USART1: TX -> PB6, RX -> PB7 */
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1, ENABLE);

Если вы два часа разводили двустороннюю плату, а потом обнаружили, что не можете развести какую-то сторону без огромной тучи переходов и перемычек, возможно, что функция переназначения выводов спасёт вашу клавиатуру от нелепой смерти под кулаком.

Есть у GPIO и довольно диковинная функция - блокирование выводов. Я так и не понял, зачем она может понадобится, но суть такова: можно заблокировать изменение состояния любого GPIO до следующей перезагрузки МК. Активируется тоже несложно:

/* Фиксируем состояния выводов PA6 и PA13 */
GPIO_PinLockConfig(GPIOA, GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_13);

Несколько слов об электрических характеристиках
В даташите по STM32F100xx встречаются рекомендации подключать не более 20 выводов с отдачей 8 мА через каждый или не более 8 выводов с 20 мА, но практически нереально найти информацию по максимальному току на вывод. Но есть таблица, где приведена максимальная рассеиваемая мощность для МК целиком, причём для разных корпусов эта мощность разная. Например, для LQFP64, в котором идёт STM32F100RBT6B на STM32VLDiscovery, эта мощность равна 444 мВт, что при напряжении питания 3.3 В даёт силу тока ~134 мА. В другой таблице указано, что максимальный ток, потребляемый МК в режиме выполнения кода со всей включенной периферией при 100℃, составляет 15.7 мА. Итого имеем 134 - 15.7 = 118.3 мА на все выходы. Это максимальный ток, который может пропустить через себя МК, что немного расходится с рекомендациями. Впрочем, питать что-либо кроме светодиодов от MК в любом случае - плохая идея, а 118.3 мА хватит на пару-тройку десятков обычных светодиодов, которые при номинальном токе в 20 мА выжигают глаза, а при 1 мА вполне годятся в индикаторы.