GD32F130之GPIO

简介

最多可支持 55 个通用 I/O 引脚（GPIO），分别为 PA0 ~ PA15，PB0 ~ PB15，PC0 ~ PC15，
PD2，PF0，PF1，PF4 ~ PF7，各片上设备用其来实现逻辑输入/输出功能。

每个 GPIO 端口有相关的控制和配置寄存器以满足特定应用的需求。GPIO 端口和其他备用功能（AFs）的备用引脚，在特定的封装下获得最大的的灵活性。GPIO引脚通过配置相关的寄存器可以用作备用功能输入/输出引脚。

每个 GPIO 引脚可以由软件配置为输出（推挽或开漏）、输入、外设备用功能或者模拟模式。

每个 GPIO 引脚都可以配置为上拉、下拉或无上拉/下拉。除模拟模式外，所有的 GPIO 引脚都
具备大电流驱动能力。

电气特性

电流驱动能力：25mA max
内部拉电阻阻值：30~50KΩ，典型值40KΩ
5V容忍：部分引脚支持，详见数据手册

主要配置流程

首先要使用GPIO_CTL寄存器来配置GPIO工作模式，有下面四种工作模式：

通用数字输出模式：主要用于输出数字信号，输出高/低电平
通用数字输入模式：用于读取外部电路输入的数字信号，读取高/低电平
备用功能模式：例如USART的RX，定时器的PWM输出通道，定时器的输入捕获通道等
模拟模式：ADC或者DAC功能的通道

然后，根据不同的工作模式，选着性地使用其他寄存器来进行剩余的配置。如下图所示。例如在通用数字输出模式下，可以使用OMODE来选择推挽或者开漏输出，使用OSPD来配置输出信号的最高频率，使用PUD来配置内部拉电阻。在通用数字输入模式下，只需要使用PUD配置拉电阻即可，OMODE和OSPD无需使用。

通用数字输出模式

当GPIO_CTL[1:0]=10时，配置GPIO为通用数字输出模式，此模式下，GPIO引脚可以输出高低电平信号来驱动外部电路。

在通用数字输出模式下，通过OMODE寄存器配置为推挽输出或者开漏输出两种不同的输出模式。通过OSPD寄存器来配置输出信号的速度，这个速度指的是引脚高低电平翻转的最高频率。通过PUD寄存器来配置内部的上下拉电阻。

推挽输出

使用GPIO_OCTL寄存器的一个单独的位来锁存输出控制信号，控制对应的GPIO输出高或者低电平。当GPIO_OCTL位=1时，输出驱动中的PMOS导通，NMOS截止，使得引脚与内部Vdd连接，用于输出高电平；当GPIO_OCTL位=0时，输出驱动中的PMOS截止，NMOS导通，使得引脚与内部Vss连接，用于输出低电平。

程序可以直接写GPIO_OCTL来改变引脚上输出的信号，但是GPIO_BOP和GPIO_BC寄存器有更高的访问效率，通过写BOP和BC寄存器可以间接控制GPIO_OCTL的值，所以一般使用GPIO_BOP和GPIO_BC寄存器来设置引脚输出电平。

推挽输出模式时，输入驱动电路也是工作的，可以读取GPIO_ISTAT寄存器来获取引脚上的电平。虽然这样做几乎没什么意义。

开漏输出

和推挽输出一样，开漏输出同样使用GPIO_OCTL寄存器的一个单独的位来锁存输出控制信号，可以通过GPIO_BOP和GPIO_BC寄存器来简介控制GPIO_OCTL寄存器的值。但是当GPIO_OCTL位=1时，PMOS和NMOS都是截止的，使得引脚与内部输出驱动电路处于“断路”状态，引脚输出高阻态，没有驱动能力；当GPIO_OCTL位=0时，输出驱动中的PMOS截止，NMOS导通，使得引脚与内部Vss连接，可以正常输出低电平。

开漏输出时一般都会使用上拉电阻（内部的或者外部的），此时GPIO是一个双向IO，既可以输出高低电平（高电平由上拉电阻提供），也可以通过读取GPIO_ISTAT寄存器来获取引脚上的输入的信号。

通用数字输入模式

当CTL[1:0]=00时，配置GPIO为通用数字输入模式，此模式下，GPIO引脚作为输入来采集外部电路的电平信号供CPU读取。

通用数字输入模式下，输出驱动电路被禁用，只有输入电路是有效的。在AHB时钟驱动下对引脚上的电平信号进行采样：每来一个AHB时钟周期，就对引脚上的电平进行捕获一次，并解释为逻辑1或者逻辑0，存储在ISTAT寄存器对应位中，对ISTAT寄存器的对应位的读取，就可以反映出引脚上输入的电平信号。

通用数字输入模式时，一般会使用上拉/下拉电阻，避免浮空输入产生噪声干扰。可以使用PUD来启用内部上拉或者下拉电阻。

备用功能模式

当CTL[1:0]=10时，配置GPIO为备用功能模式。备用功能模式（AFIO，Alternate Function IO）又叫复用功能模式。单片机内部的一些外设（如UART，I2C，SPI，定时器等）需要借助IO口来和外部电路实现信号的输入/输出，此时IO的输入和输出都由内部外设接管控制，而非CPU，这便是引脚的备用功能。一个GPIO可以支持多个备用功能，但是任何时刻都只能使用其中一个。

那么一个引脚有多少备用功能？每个备用功能分别是什么？这些都可以通过查阅数据手册的：《GD32F130xx pin alternate functions》来知晓。下面表格是摘选：

引脚名	AF0(备用功能0)	AF1(备用功能1)	AF2(备用功能2)	...
PB6	USART0_TX	I2C0_SCL	TIMER15_CH0_ON	...
PB7	USART0_RX	I2C0_SDA	TIMER16_CH0_ON	...
PB8	/	I2C0_SCL	TIMER15_CH0	...

在备用功能模式下，需要通过AFSEL0或AFSEL1寄存器来选择需要的备用功能。例如需要将PB6配置为USART0的TX引脚，通过上表格我们知道PB6的AF0是USART0的TX备用功能，则要配置AFSEL0[3:0]=0000来选择第0个备用功能即可。

输出作用的AFIO

在输出AFIO的备用功能模式下，输出驱动电路不再受GPIO_OCTL寄存器控制，而是受备用功能对应的片内外设控制，例如对于配置成USART的TX引脚，它输出的信号受USART的发送电路控制。

此时还可以通过OMODE寄存器配置为推挽输出或者开漏输出两种不同的输出模式。通过OSPD寄存器来配置输出信号的速度。通过PUD寄存器来配置内部的上下拉电阻。

输入作用的AFIO

在输入AFIO的备用功能模式下，引脚上输入的信号被采样后，输入到了备用功能对应的外设，例如对于配置成USART的RX引脚，它采集的信号输入到了USART的接收电路。同时也可以像普通数字输入IO那样，通过读取ISTAT来获取输入信号，虽然这样做很少有意义。

此时还可以通过PUD寄存器来配置内部的上下拉电阻。OMODE寄存器和OSPD寄存器无需使用。

模拟模式

当需要将引脚作为为ADC或者DAC的通道时，要将GPIO配置为模拟模式。

当GPIO_CTL[1:0]=11时，配置GPIO为模拟模式，此模式下时，输出驱动电路和输入驱动电路都被禁用，相当于ADC或者DAC电路直接与引脚相连。

一些例子

例子1：使用PB13的通用推挽输出来驱动LED，输出高电平时LED点亮。

//配置PB13的模式为通用数字输出模式，且不启用内部拉电阻
gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_13); //配置PB13为推挽输出模式，速度为10MHz
gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_13); //PB13输出高电平，点亮LED
gpio_bit_set(GPIOB,GPIO_PIN_13);//PB13输出低电平，熄灭LED
gpio_bit_reset(GPIOB,GPIO_PIN_13);//==========================【用宏封装】=============================
#define LED13_ON    gpio_bit_set(GPIOC,GPIO_PIN_13)
#define LED13_OFF   gpio_bit_reset(GPIOC,GPIO_PIN_13)
#define LED13_TOG   \
do{                 \
if(gpio_output_bit_get(GPIOC,GPIO_PIN_13)) \gpio_bit_reset(GPIOC,GPIO_PIN_13);     \
else                                       \gpio_bit_set(GPIOC,GPIO_PIN_13);       \
}while(0)

例子2：使用PB13的通用数字输入模式来读取按键，PB13启用内部上拉电阻，按键一端接PB13，另一端接GND。按键按下时，PB13输入低电平；按键松开时，PB13输入高电平。

//配置PB13的模式为通用数字输入模式，启用内部上拉电阻
gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_13); //如果读取到PB13为低电平
if(RESET == gpio_input_bit_get(GPIOB,GPIO_PIN_13))
{//...按键处理逻辑
}

例子3：PA9为USART0的TX引脚，配置为备用功能1。PA10为USART0的RX引脚，配置为复用功1。

//PA9-USART0-TX
gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_9);  //选择备用功能1
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_9 ); 
gpio_output_options_set(GPIOA,GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_9);//PA10-USART0-RX
gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_10);  //选择备用功能1
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_10 );

例子4：配置PB0为ADC通道

//模拟模式
gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_ANALOG, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_0);