接口技術(shù)4.1I/O接口概述4.2CUP與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式4.3并行接口基本電路4.4STM32的GPIO4.5GPIO的應(yīng)用組習題4

本章要點

☆計算機I/O接口的基本概念

☆CUP與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式

☆并行接口的幾種基本電路

☆STM32的GPIO

☆基于匯編、C語言寄存器、C語言庫函數(shù)實現(xiàn)的按鍵控制LED燈實例

4.1Ｉ/Ｏ接口概述

4.1.1Ｉ/Ｏ接口電路的作用1.為數(shù)據(jù)提供鎖存和緩沖功能在計算機系統(tǒng)中，CUP的運行速度很高，而外設(shè)的速度往往較低，即使是快速的外部設(shè)備，其工作速度也遠遠不及CUP的工作速度，一般而言，CUP的工作速度是外設(shè)的幾十倍乃至幾千倍。

2.實現(xiàn)信號變換功能

計算機內(nèi)部的信號都是并行的、數(shù)字的，采用ＴＴＬ電平標準，而外設(shè)有串行的、模擬的，信號電平也千差萬別，要實現(xiàn)這種不同信號的連接，必須通過I/O接口電路進行轉(zhuǎn)換。

3.提供外設(shè)控制、監(jiān)測和管理功能

I/O接口電路接收來自CUP的控制信號，實現(xiàn)對外設(shè)的控制和管理。外設(shè)的工作狀態(tài)也可以通過I/O接口送回CUP，確保操作同步。為實現(xiàn)CUP與外設(shè)并行工作，專用的I/O接口可以管理來自外設(shè)的中斷請求，以中斷方式進行輸入/

輸出，大大提高CUP的利用率。

4.1.2接口和端口

I/O接口通常是指連接CUP與外設(shè)的集成芯片，不同的外設(shè)需要不同的I/O接口。一個I/O接口芯片往往有若干個I/O端口，根據(jù)CUP與外設(shè)之間傳輸信息類型不同可以分為數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制三種I/O端口，如圖4.1所示。圖4.1接口與端口

1.數(shù)據(jù)端口

數(shù)據(jù)端口傳輸數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出，因此是雙向的。

2.狀態(tài)端口

狀態(tài)端口傳輸狀態(tài)信息，狀態(tài)信息反映外設(shè)工作狀態(tài)，它由外設(shè)送入CUP，是單向輸入的。

3.控制端口

控制端口傳輸控制信息，控制信息是CUP送給外設(shè)的，它是單向輸出的。

4.1.3I/O端口的編址

I/O端口的編址有兩種方式：I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址、I/O端口獨立編址。

1.I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址

I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址即存儲器映像編址方式，此種方式實際上是將I/O端口與存儲器單元等同看待，I/O端口與存儲器單元在同一個地址空間中統(tǒng)一編址。通常情況下將整個地址空間的一小部分(比如54KB)分配給I/O端口，如圖4.2所示。圖4.2I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址

2.I/O端口獨立編址

I/O端口獨立編址也稱I/O端口隔離編址，存儲器空間和I/O端口空間在邏輯上是兩個完全獨立的空間，操作兩個空間需要不同的讀寫控制信號。X85系列微機采取的是這種編址方式，如圖4.3所示。圖4.3I/O端口獨立編址

兩種編址方式的比較如表4.1所示。

4.2CUP與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

4.2.1無條件傳送無條件傳送方式是最簡單的一種傳送方式，硬件組成簡單，容易實現(xiàn)。以這種方式進行輸入/

輸出操作時，CUP總是默認外設(shè)是準備就緒的。進行輸入/

輸出操作猶如對內(nèi)存單元進行讀/寫一樣，無需對外設(shè)狀態(tài)進行查詢。這種傳送方式的傳送速度不高，傳送效率低，適合于操作頻率低或外設(shè)工作速度足夠快，能與CUP工作速度匹配的場合。

1.無條件輸入

無條件輸入方式如圖4.4所示。當進行輸入操作時，只需對指定端口進行讀操作即可，CUP總是認為外設(shè)已經(jīng)將Data準備就緒，地址譯碼器對地址進行譯碼，并與讀信號進行邏輯或后開啟三態(tài)緩沖器，從而來自外設(shè)的數(shù)據(jù)通過緩沖器，再經(jīng)過數(shù)據(jù)總線進入CUP，完成數(shù)據(jù)輸入。圖4.4無條件輸入傳送方式

2.無條件輸出

無條件輸出方式如圖4.5所示。當進行輸出操作時，CUP總認為外設(shè)處于空閑狀態(tài)，將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，發(fā)出相應(yīng)端口的地址，地址譯碼輸出與寫信號邏輯或后作為數(shù)據(jù)鎖存器的鎖存信號，從而數(shù)據(jù)被鎖存，外設(shè)從鎖存器上接收數(shù)據(jù)。圖4.5無條件輸出傳送方式

4.2.2查詢式傳送

查詢式傳送也稱條件傳送。這種方式在進行數(shù)據(jù)傳送前，CUP先查詢外設(shè)狀態(tài)，在輸入時先查詢外設(shè)是否將數(shù)據(jù)準備好；在輸出時先查詢外設(shè)是否處于空閑狀態(tài)。

1.查詢式輸入

查詢式輸入如圖4.5所示。當外設(shè)將數(shù)據(jù)準備好后，發(fā)出鎖存脈沖，該鎖存脈沖將數(shù)據(jù)鎖存的同時觸發(fā)D觸發(fā)器，使D觸發(fā)器的Q=1，D觸發(fā)器的這個狀態(tài)表示數(shù)據(jù)準備好。該狀態(tài)信號經(jīng)過一個三態(tài)緩沖器后送到數(shù)據(jù)總線上，CUP在進行數(shù)據(jù)輸入之前，首先對狀態(tài)端口進行讀操作，讀入狀態(tài)信號(Ready)，如果Ready=1，則表示數(shù)據(jù)準備好，接下來對數(shù)據(jù)端口進行讀操作，打開三態(tài)緩沖器，數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)總線完成輸入操作。圖4.5查詢輸入傳送方式

2.查詢式輸出

查詢式輸出如圖4.7

所示。在CUP將數(shù)據(jù)信息輸出之前，先對狀態(tài)端口進行讀操作，若輸出設(shè)備處于忙狀態(tài)，則Susy=1，此時不能輸出數(shù)據(jù)信息，當外設(shè)處于空閑狀態(tài)時，Status=0，讀出的狀態(tài)信號Susy=0，則對數(shù)據(jù)端口進行寫操作，輸出數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，外設(shè)從鎖存器上獲得數(shù)據(jù)。外設(shè)在接收數(shù)據(jù)過程中，Status一直維持1狀態(tài)，直到接收完畢才變成0狀態(tài)。

4.2.3中斷傳送方式

無條件和查詢傳送都是CUP主動的傳送方式，而中斷傳送則是外設(shè)主動的傳送方式。外設(shè)需要CUP進行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)時，需向CUP發(fā)送服務(wù)請求，當CUP響應(yīng)了這個請求后，中斷現(xiàn)行操作，轉(zhuǎn)而去為提出服務(wù)請求的外設(shè)服務(wù)，完成數(shù)據(jù)傳輸，當數(shù)據(jù)傳輸操作完成后又回到被中斷的操作繼續(xù)執(zhí)行。圖4.8中斷輸入傳送方式

4.2.4DMA傳送方式

DMA傳送方式如圖4.9所示。以CUP向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)為例，CUP首先要告訴DMA控制器需要傳送的數(shù)據(jù)起始地址和數(shù)據(jù)塊長度。其工作過程如下：

(1)

當外設(shè)可以接收數(shù)據(jù)時，外設(shè)向DMA控制器發(fā)出DMA請求信號DRQ。

(2)

DMA控制器收到DRQ有效信號后，即向CUP發(fā)出總線請求信號HOLD，請求CUP讓出系統(tǒng)總線。

(3)

CUP收到HOLD請求有效信號后，在當前總線周期結(jié)束后，讓出系統(tǒng)總線，并發(fā)出總線請求應(yīng)答信號HLDA，此時，CUP監(jiān)視HOLD的狀態(tài)。

(4)

DMA控制器監(jiān)測到HLDA信號有效后，即獲得系統(tǒng)總線控制權(quán)，向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號BACKＫ，并開始向外設(shè)傳送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束。

(5)

DMA傳送結(jié)束后，DMA控制器撤銷HOLD信號，使系統(tǒng)總線處于浮空狀態(tài)。

(5)

CUP監(jiān)測到HOLD信號失效后，立即撤銷HLDA信號，收回系統(tǒng)總線控制權(quán)。圖4.9DMA傳送方式示意圖

4.2.5幾種傳送方式的比較

無條件傳送方式對硬件要求最少，操作也非常簡單，輸入/

輸出操作猶如存儲單元存取數(shù)據(jù)一般，但由于外設(shè)的工作速度相對于CUP來說十分緩慢，因此，這種傳送方式只用在操作頻率低或外設(shè)響應(yīng)速度快的場合，如電機啟?？刂啤ED數(shù)碼顯示輸出等。

查詢傳送方式比起無條件傳送方式多了外設(shè)狀態(tài)信息的傳輸，因此它的硬件稍許復(fù)雜，但這種傳送方式能夠保證每次傳送都是可靠的。

比起無條件傳送和查詢傳送方式，中斷傳送方式大大提高了CUP的效率，相應(yīng)地對硬件的要求也更高。

DMA傳送方式對硬件的要求最高，硬件組成及管理機制復(fù)雜，這種方式幾乎將CUP從輸入/

輸出操作中解脫出來。DMA方式的響應(yīng)時間短，省去了中斷管理中CUP保護和恢復(fù)現(xiàn)場的麻煩，最大限度地減少了CUP的開銷。DＡＭ控制器是一種專門用于數(shù)據(jù)輸入/

輸出傳送的器件，省去了取指令和分析指令操作，因而執(zhí)行效率更高。DMA傳送方式特別適用于大批量數(shù)據(jù)的輸入/

輸出傳輸，如磁盤數(shù)據(jù)的存取操作等。

4.3并行接口基本電路

并行輸入/

輸出是計算機最基本的數(shù)據(jù)輸入/

輸出形式，它的傳輸效率高，適合于近距離數(shù)據(jù)傳輸。通用CUP(如Intel系列CUP)沒有并行I/O接口電路，要進行并行I/O操作，就需要在外部擴展相應(yīng)的并行I/O接口電路。

4.3.1緩沖與鎖存電路圖4.10緩沖器和鎖存器的基本電路

4.3.2上拉與下拉輸入電路

上拉輸入電路就是將輸入信號通過一個電阻與電源連接，從而減小了輸入信號的驅(qū)動負荷，上拉輸入電路如圖4.11(ａ)所示。下拉輸入電路就是將輸入信號通過一個電阻與地連接，從而減小對輸入信號的灌電流，下拉輸入電路如圖4.11(ｂ)所示。無論是上拉還是下拉電路，都能將輸入信號穩(wěn)定，上拉電路能將不確定信號鉗位在高電平，下拉電路能將不確定信號鉗位在低電平。圖4.11上拉、下拉輸入電路原理圖

4.3.3OC/OD輸出電路

OC輸出電路即集電極開路輸出電路，輸出端相當于三極管的集電極，如圖4.12所示。如果不接入上拉電路，則OC輸出電路只能輸出低電平。圖4.12OC輸出電路和線與功能

4.3.4推挽輸出電路

推挽輸出電路一般由兩個參數(shù)相同的三極管或MOSFET管構(gòu)成，如圖4.13所示，兩個管子分別受兩互補信號的控制，總是在一個管子導(dǎo)通的時候另一個截止。推挽電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關(guān)速度。圖4.13推挽輸出電路

推挽輸出電路既可以輸出高電平，也可以輸出低電平，還可以輸出連續(xù)脈沖信號，比起OC輸出電路，推挽輸出的負載能力更強，輸出頻率更高。需要注意的是，如果兩路推挽輸出碰在一起，如圖4.13虛線所示，當其中一路輸出高電平，而另一路輸出低電平，則會造成電源短路，因此必須避免這種情況發(fā)生。

4.4STM32的GPIO

4.4.1GPIO的端口電路STM32系列中不同型號的產(chǎn)品擁有的GPIO端口數(shù)量不同，但每個GPIO端口都有15根管腳，并通過寄存器進行操作控制。圖4.14給出了一個I/O端口位的基本結(jié)構(gòu)，每個端口位可用作開關(guān)量的輸入/

輸出、模擬量輸入或者復(fù)用功能。圖4.14I/O端口位的基本結(jié)構(gòu)

1.用作輸入功能

·I/O端口的輸出緩沖器被禁止。

·施密特觸發(fā)器輸入被激活。

·根據(jù)需要選擇內(nèi)部弱上拉或下拉電阻連接。

·出現(xiàn)在I/O引腳上的數(shù)據(jù)在每個ABP2時鐘被采樣到輸入數(shù)據(jù)寄存器(IDR)。

·用戶程序?qū)DR的讀訪問可得到I/O引腳狀態(tài)。

2.用作輸出功能

·開漏模式下，輸出數(shù)據(jù)寄存器(ODR)上的0激活NMOS，1將端口置于高阻狀態(tài)。

·推挽模式下，輸出數(shù)據(jù)寄存器(ODR)上的0激活NMOS，1將激活PMOS。

·施密特觸發(fā)器輸入被激活。

·弱上拉和弱下拉電阻被禁止。

·出現(xiàn)在I/O引腳上的數(shù)據(jù)在每個ABP2時鐘被采樣到數(shù)據(jù)輸入寄存器IDR。

·在開漏模式下，對IDR的讀訪問可得到I/O引腳狀態(tài)。

·在推挽模式下，對ODR的讀訪問可得到最后一次寫的值。

3.用作模擬量輸入

·輸出緩沖器被禁止。

·禁止施密特觸發(fā)輸入，實現(xiàn)每個模擬I/O引腳上零消耗。施密特觸發(fā)輸出值強制為0。

·弱上拉和弱下拉電阻被禁止。

·讀取數(shù)據(jù)輸入寄存器將返回0。

4.4.2GPIO的工作方式與寄存器配置

STM32的每個GPIO引腳都可由軟件配置成輸出(推挽或開漏)、輸入(帶或不帶上拉或下拉)或復(fù)用的外設(shè)功能端口。多數(shù)GPIO引腳與數(shù)字或模擬的復(fù)用外設(shè)共用；除了具有模擬輸入(ADC)功能的引腳之外，其他的GPIO引腳都有大電流通過能力，有如下8種模式：

1.配置寄存器GPIOｘ＿CRL和GPIOｘ＿CRH

該寄存器的復(fù)位值為0ｘ4444＿4444，其實就是復(fù)位時配置端口為浮空輸入模式。

CRH的作用和CRL完全一樣，只是CRL控制的是低8位輸出口，而CRH控制的是高8位輸出口。表4.2、表4.3和表4.4表示CRL各位的含義。

2.輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOｘ＿IDR

IDR是端口輸入數(shù)據(jù)寄存器的簡稱。要想知道某個I/O口的狀態(tài)，就要讀這個寄存器，再從讀出的寄存器值分析出某個引腳的狀態(tài)，IDR只用了低15位。輸入數(shù)據(jù)寄存器為只讀寄存器，并且只能以15位的形式讀出。輸入數(shù)據(jù)寄存器各位的描述如表4.5所示。

3.輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOｘ＿ODR

ODR是端口輸出數(shù)據(jù)寄存器的簡稱。其作用就是控制端口的輸出，ODR對應(yīng)寄存器位置1，則對應(yīng)的GPIO引腳就會輸出高電平。

4.端口位設(shè)置/

清除寄存器(GPIOｘ＿BSRR)

STM32的每個GPIO端口都有GPIOｘ＿BSRR和GPIOｘ＿BRR寄存器，通過這兩個寄存器可以直接對對應(yīng)的GPIOｘ的某位端口置1或置0。

也就是說GPIOｘ＿BSRR的高15位稱做清除寄存器，而GPIOｘ＿BSRR的低15位稱作設(shè)置寄存器。對GPIOｘ＿BSRR寄存器中的位置0，則對它對應(yīng)的端口不起作用，也就是寫0無效。

5.端口位清除寄存器(GPIOｘ＿BRR)

如果只需要對GPIOｘ端口的某位置0，則可以使用端口位清除寄存器GPIOｘ＿BRR。與GPIOｘ＿BSRR不同的是，GPIOｘ＿BRR只有低15位有效，分別對應(yīng)端口ｘ的每個位，對15位中的某位置1，則端口ｘ的對應(yīng)位被清0。同樣，在GPIOｘ＿BRR中寫0是無效的。

4.4.3GPIO引腳的復(fù)用與重映射

STM32內(nèi)置了許多外設(shè)，每個內(nèi)置外設(shè)都有若干個輸入/

輸出引腳，如果這些引腳與GPIO引腳同時引出，會使得芯片的引腳數(shù)過多，增加芯片的面積和成本。

所謂AFIO，就是將內(nèi)置外設(shè)的引腳和GPIO的引腳進行復(fù)用，即一個引腳可以有多個功能，也可以認為是將一些外設(shè)的專用功能引腳映射到某個GPIO引腳上。

如圖4.15所示，為了使開發(fā)人員在設(shè)計STM32應(yīng)用電路時有更多的選擇，一個設(shè)備往往有多個映射方案。這種引腳的重映射可以方便電路板的走線，進一步優(yōu)化引腳的配置。不過這種重映射是相對固定的，不能夠進行隨意映射，特定引腳的重映射將在后續(xù)的章節(jié)里陸續(xù)介紹。圖4.15STM32Ｆ103ｘｘ增強型ＬＱＦＰ100引腳圖

4.5GPIO的應(yīng)用

4.5.1功能要求與硬件設(shè)計1.功能要求通過STM32開發(fā)板上接PD12的按鍵K1來控制接PC7

的LD2。

2.硬件設(shè)計

如圖4.15所示，按鍵Ｋ1通過一個上拉電阻接PD12，無按鍵時從PD12輸入寄存器讀出“1”；有鍵按下時從PD12輸入寄存器讀出“0”。圖4.15按鍵、LED的接口電路

3.GPIO硬件的初始化

在使用一個外設(shè)前，必須先配置和激活啟動該外設(shè)的時鐘，如GPIO端口B，那么就要激活GPIOＢ的時鐘。只有啟動了時鐘的外設(shè)才變得可用，而不需要使用的外設(shè)無需使能時鐘，這樣做的好處是可以降低STM23芯片的內(nèi)部功耗。如APB2ENR

寄存器是APB2總線上的外設(shè)時鐘使能寄存器，其各位描述如表4.5所示。

從表4.5中可以看出，PortB

的時鐘使能位在寄存器APB2ENR

的bit3，只需要將這個位置1就可以使能PortB的時鐘了。

時鐘被啟動之后，再根據(jù)具體功能，對這個GPIO進行配置。根據(jù)需要，按鍵輸入被設(shè)置為上拉輸入，LED輸出可被設(shè)置為翻轉(zhuǎn)頻率為50MHz

的推挽輸出。最后就可以編寫程序在相關(guān)寄存器在端口上進行輸入/

輸出實現(xiàn)預(yù)定的功能了。

4.5.2基于匯編的GPIO應(yīng)用

1.程序說明與宏定義

每段程序或函數(shù)都應(yīng)采用一定的方式說明其功能、占用的資源、入口參數(shù)、出口參數(shù)、調(diào)用者，除此以外，還可以有程序編寫者的姓名、公司等信息，有些地方還需要對采用的算法進行適當?shù)恼f明。

【例4.1】基于匯編的GPIO操作。

本例由于程序并不復(fù)雜，因此程序的說明也較為簡單。

2.向量表

根據(jù)STM32存儲器的映射關(guān)系和啟動要求，在每個程序開始的地方都必須安排向量表。由DCD

指令定義的向量表的第1個4字節(jié)單元用于初始化主堆棧，而DCD

指令定義的第2個4字節(jié)單元用于存放復(fù)位向量，此點就是程序的啟動點，填寫了主程序的起始地址Start，此后每4字節(jié)單元填寫對應(yīng)的中斷向量(中斷服務(wù)程序入口地址)。

本程序為了完整性安排了兩個中斷向量NMI＿Handler

(不可屏蔽中斷)和HardFault＿Handler(硬故障中斷)，它們表示的是對應(yīng)中斷服務(wù)程序的首地址，這兩個中斷沒有太多的處理動作，當對應(yīng)事件發(fā)生時，僅僅使程序陷入死循環(huán)。

3.代碼段

程序的可執(zhí)行部分是由代碼段組成的，下面的程序由一段主程序、一段延時子程序和兩個異常處理程序組成。

根據(jù)STM32功能部件使用的一般原則，在主程序中首先在外設(shè)時鐘使能寄存器RCC＿APB2ENR中使能GPIOC、GPIOD

的時鐘，然后進行部件的功能配置。

4.5.3基于C寄存器操作的GPIO應(yīng)用

匯編是面向硬件底層的語言工具，不適合編寫大型、復(fù)雜的程序。C是結(jié)構(gòu)化的高級語言，是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)主要使用的語言工具?；谙嗤碾娐?，上面的功能也可以由C語言操作寄存器來實現(xiàn)。

2.Ｃ語言環(huán)境下的寄存器訪問

無論是8位的51單片機，還是32位的STM32，無論是采用匯編語言還是采用C

語言，實際上所有MCU

的應(yīng)用開發(fā)都是靠配置寄存器來完成的。因此如何充分發(fā)揮C

語言結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點，方便地訪問STM32的寄存器是一個必須解決的問題。

從圖2.19可以發(fā)現(xiàn)，0ｘ4001＿1８00是GPIOE

口的起始地址，進一步查閱手冊，每個GPIO

所含的7

個寄存器的偏移地址如表4.7

所示，每個寄存器的偏移地址都是間隔4字節(jié)。

3.GPIO的C

語言寄存器實例

按結(jié)構(gòu)化編程思想，用戶程序分為以下四塊：按鍵程序key.h和key.c；LED程序LED.h和LED.c；延時程序delay.h

和delay.c；主程序test.c。

除主程序外，每個子模塊分別由.h頭文件和.c實現(xiàn)文件組成。.h

頭文件中是各類聲明，而.c實現(xiàn)文件中主要是各個函數(shù)的實體。本實例的功能較為簡單，這些文件都不復(fù)雜，更容易看清整個項目的結(jié)構(gòu)。

3)

主程序

由于功能相同，主程序和上一單元的匯編程序基本相同，只是書寫方式發(fā)生改變，另外，結(jié)構(gòu)化的程序