一、什麼是GPIO

　　GPIO全稱為General Purpose Input Output，中文理解為通用輸入輸出埠。它指的是編程可控制的引腳，即可以控制引腳是作為輸入來用，還是輸出功能，又或者是交給片上外設使用（復用）。

二、GPIO結構框圖

　　理解GPIO硬體電路的實現，有助於編程的理解。下圖是官方手冊給出的GPIO框圖：

　　此框圖中只有最右端的I/O pin是板上外露可見的，其他部分均在晶元內部。該框圖結構被分為兩個部分，其一是輸出結構，主要由引腳（I/O pin）、保護二極體（protection diode）、雙MOS管(P-MOS+N-MOS)、輸出控制（output control）、輸出數據寄存器（output data register）、位置位/複位寄存器（bit set/reset register）組成 ；其二是輸入結構，由引腳、保護二極體、雙開關（on/off）、TTL肖特基觸發器（TTL Schmitt trigger）、輸入數據寄存器（input data register）組成。

　　1.保護二極體

　　　　兩個二極體構成了雙向限幅電路。當外部輸入電壓大於VDD時，上方二極體導通（全文皆忽略二極體和MOS管導通壓降），使得電壓限制在VDD左右；當外部輸入電壓低於VSS，下方二極體導通，電壓限制在VSS左右。然而這樣的保護並不能使引腳直接驅動大功率器件，例如電機，就需要外加驅動電路。

　　2.雙開關

　　　　這個雙開關電路與上拉、下拉和浮空模式有關，當處於上拉模式時上方開關閉合，下方斷開，除非引腳的外部輸入為低電平，否則輸入到肖特基觸發器的電平都是高電平；當處於下拉模式時上方開關斷開，下方閉合，除非引腳的外部輸入為高電平，否則輸入到肖特基觸發器的電平都是低電平；當處於浮空模式時開關全部斷開，電平預設為高阻態，輸入的電平完全取決於外部輸入。上下拉多用於按鍵檢測，而浮空則常用於ADC檢測。

　　3.肖特基觸發器

　　　　該觸發器主要是將模擬電壓轉為0/1數字信號，上圖中模擬輸入（Analog input）就取自觸發器之前，而輸入數據寄存器則取自觸發器之後的數字信號。

　　4.輸入數據寄存器

　　　　這個寄存器用來存儲各個引腳電平狀態，可通過讀取該寄存器內容，來獲取任意引腳狀態。

　　5.位置位/複位寄存器

　　　　通過讀寫該寄存器，可以間接地更改輸出數據寄存器的值。

　　6.輸出數據寄存器

　　　　可以直接讀寫該寄存器，來更改各個引腳的輸出狀態，當寄存器值保持不變時，每個引腳的電平也就不發生變化。

　　7.雙MOS管

　　　　雙MOS管組成一個推輓輸出（push-pull）電路，當輸出寄存器中值為1時，經過反相器，兩管的共柵極輸入低電平，則PMOS導通，NMOS截止，引腳輸出高電平；當輸出寄存器中值為0時，經過反相器，兩管的共柵極輸入高電平，則NMOS導通，PMOS截止，引腳輸出低電平。當PMOS被禁用時，電路變為開漏輸出，引腳仍可輸出低電平，但無法正常輸出高電平，取而代之的是高阻態。如果此時想要輸出高電平，則必須接上拉電阻。開漏輸出僅在一些特殊場合下使用，更多的是推輓輸出。

三、GPIO寄存器

　　1.APB2外設時鐘使能寄存器(RCC_APB2ENR)

　　　　RCC_APB2ENR並不屬於GPIO的寄存器組，但是它控制著GPIO的引腳時鐘使能，晶元上電後，所有外設時鐘預設是關閉的，所以在使用GPIO前要先打開埠時鐘使能。該寄存器內容如下，我們只關心IOPxEN位，置1則開啟時鐘。

　　2.埠配置低位寄存器(GPIOx_CRL)

　　　　該寄存器可配置低8個GPIO引腳的工作模式：模擬輸入、浮空輸入、上拉\下拉輸入、通用推輓輸出、通用開漏輸出、復用推輓輸出、復用開漏輸出。復用輸入模式沒有單獨的配置，只要將引腳配置為浮空/上拉/下拉輸入模式，由片上外設驅動即可。CRL還可以在輸出模式下配置工作頻率，頻率越大，功耗越高。註意每個引腳模式配置占4bit。對於上拉\下拉輸入來說，是上拉還是下拉取決於ODR寄存器配置的值。

　　3.埠配置高位寄存器(GPIOx_CRH)

　　　　該寄存器同GPIOx_CRL，只是它控制的是高8個GPIO引腳的工作模式。

　　4.輸入數據寄存器(GPIOx_IDR)

　　　　該寄存器存儲了當前引腳的狀態，無論GPIO在哪種工作模式下，都可以讀取該寄存器，但在模擬輸入模式下，寄存器的值一直為0。

　　5.輸出數據寄存器(GPIOx_ODR)

　　　　在通用輸出模式下，該寄存器可用來控制電平高低；在復用推輓輸出模式下，可讀取ODR獲取引腳狀態（在復用開漏輸出模式下，可讀取IDR獲取引腳狀態）。在上拉或下拉輸入模式下，ODR可決定是上拉還是下拉。

　　6.位置位/複位寄存器(GPIOx_BSRR)

　　　　通過該寄存器，可以單獨控制某個引腳的電平變化。因為向這個寄存器寫0的結果是無操作，寫1是置位或者複位，所以訪問該寄存器可以直接用=號；而ODR寄存器寫0則表示給低電平，寫1表示給高電平，為了不影響其他引腳，寫入必須用&=和|=號。另外還有個寄存器叫GPIOx_BRR，同該寄存器差不多，只不過BRR只能複位，高16位是保留的。

四、GPIO編程

　　GPIO最常用的就是通用推輓輸出和上拉/下拉輸入這兩種模式。一下程式實現功能為：

　　　　PA0為按鍵輸入，按下為低電平。PC13是led控制引腳，低電平點亮LED。當按下按鍵時，LED亮;鬆開按鍵時，LED滅。

　　程式代碼如下，根據GPIO原理，編程順序一般是：先開啟時鐘使能，配置引腳工作模式，最後給引腳電平信號。

int main(void)
{
    
    uint32_t key_value;
    
    //開啟GPIO外設時鐘使能
    //PORTA,第三位置1
    RCC->APB2ENR |= (1<<2);
    //PORTC,第五位置1
    RCC->APB2ENR |= (1<<4);
    
    //GPIO輸入輸出模式配置
    //清零PA0控制位
    GPIOA->CRL &= ~((uint32_t)(0x0F)<<(4*0));
    //設置PA0為上拉輸入
    GPIOA->CRL |=  (uint32_t)(0x08)<<(4*0);
    GPIOA->ODR |=  (uint32_t)(0x01)<<0;    
    //清零PC13控制位
    GPIOC->CRH &= ~((uint32_t)(0x0F)<<(4*5));
    //設置PC13為推免輸出
    GPIOC->CRH |=  (uint32_t)(0x01)<<(4*5);
    
    
    while(1){
            //獲取PA0電平狀態,key_value==1表示按鍵沒有按下
            key_value = (GPIOA->IDR & (uint32_t)(0x01)) == (uint32_t)(0x01);
            //改變PC13電平
            if (key_value==0)
                //PC13低電平輸出
                GPIOC->ODR &= ~((uint32_t)(0x01)<<13);                
            else
                //PC13高電平輸出
                GPIOC->ODR |= (uint32_t)(0x01)<<13;
    }
}