3.外設GPIO、中斷

阿Q熊發表於2024-08-28

GPIO：通用輸入輸出埠
GPIO特點：
1.快速翻轉，每次翻轉最快只需要兩個時鐘週期（F1最高速度可以到50Mhz）
2.每個IO口都可以做中斷
3.支援8種工作模式
GPIO電氣特性：
STM32工作電壓範圍：2 V ≤ VDD ≤ 3.6 V
GPIO識別電壓範圍：
COMS埠：-0.3V ≤ VIL ≤ 1.164V(0)；1.833V ≤ VIH ≤ 3.6V(1)
TTL埠：電平TF，5V
GPIO輸出電流：單個IO最大25mA，總最大150mA，如果大於要考慮擴流方案：接三極體、MOS管、繼電器

STM32引腳型別：電源引腳、晶振引腳、復位引腳、下載引腳、BOOT引腳、GPIO引腳
IO引腳分佈特點：按組存在、組數視晶片而定、每組最多16個IO引腳

施密特觸發器：整形電路，非標準方波->方波

MOS管是壓控型元件，透過控制柵源電壓（ Vgs ）來實現導通或關閉

G：柵極

S：源極

D：漏極

導通條件：

P：Vgs < 0

N：Vgs > 0

GPIO工作模式

輸入模式：

1.輸入浮空：空閒時，IO狀態不確定，由外部環境決定

2.輸入上拉：空閒時，IO呈現高電平

3.輸入下拉：空閒時，IO呈現低電平

模擬輸入：

4.模擬功能：專門用於模擬訊號輸入或輸出，如：ADC和DAC

通用輸出模式：

5.開漏輸出：不能輸出高電平，必須有外部（或內部）上拉才能輸出高電平

6.推輓輸出：可輸出高低電平，驅動能力強

複用功能模式：

7.開漏式複用功能：不能輸出高電平，必須有外部（或內部），上拉才能輸出高電平；由其他外設控制輸出

8.推輓式複用功能：可輸出高低電平，驅動能力強；由其他外設控制輸出

GPIO暫存器介紹
F1系列：
CRL、CRH：配置工作模式，輸出速度
IDR：輸入資料，用於判斷IO引腳電平
ODR：輸出資料，用於設定IO引腳輸出電平
BSRR：ODR暫存器的值

F4/F7/H7系列：
MODER：設定模式
OTYPER：輸出型別
OSPEEDR：輸出速度
PUPDR：上下拉電阻
IDR：輸入資料
ODR：輸出資料
BSRR：ODR暫存器值

建議使用BSRR暫存器控制輸出
使用ODR，在讀和修改訪問之間產生中斷時，可能會發生風險；BSRR則無風險。

設定通用外設驅動模型（四步法）
1，初始化：時鐘設定、引數設定、IO設定、中斷設定(開中斷、設NVIC)
2，讀函式（可選）：從外設讀取資料
3，寫函式（可選）：往外設寫入資料
4，中斷服務函式（可選）：根據中斷標誌，處理外設各種中斷事務

GPIO配置步驟：
1，使能時鐘：__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()
2，初始化GPIO：HAL_GPIO_Init()
3，設定輸出狀態（可選）：控制IO輸出高/低電平--HAL_GPIO_WritePin() 、每次呼叫IO輸出電平翻轉一次--HAL_GPIO_TogglePin()
4，讀取IO電平（可選）：HAL_GPIO_ReadPin()

結構體

typedef struct 
{ 
  uint32_t Pin;              /* 引腳號 */ 
  uint32_t Mode;         /* 模式設定 */ 
  uint32_t Pull;            /* 上拉下拉設定 */ 
  uint32_t Speed;       /* 速度設定 */
  uint32_t Alternate; /* 複用功能 */
} GPIO_InitTypeDef;

中斷：打斷CPU執行正常的程式，轉而處理緊急程式，然後返回原暫停的程式繼續執行
中斷的作用：1，實時控制；2，故障處理；3，資料傳輸
中斷的意義：高效處理緊急程式，不會一直佔用CPU資源

GPIO外部中斷簡圖：GPIO->AFIO(F1)、SYSCFG(F4/F7/H7)->EXTI->NVIC->CPU

NVIC：巢狀向量中斷控制器，屬於核心
中斷向量表：定義一塊固定的記憶體，以4位元組對齊，存放各個中斷服務函式程式的首地址
中斷向量表定義在啟動檔案，當發生中斷，CPU會自動執行對應的中斷服務函式
NVIC還有：中斷掛起，解掛，啟用標誌等非常用功能。

內部中斷

Reset：復位

NMI：不可遮蔽中斷

HardFault：硬體失效

MemManage：儲存器管理

BusFault：預取指失敗，儲存器訪問失敗

UsageFault：未定義的指令或非法狀態

SVCall：透過SWI指令的系統服務呼叫

DebugMonitor：除錯監控器

PendSV：可掛起的系統服務

SysTick：系統滴答定時器

外部中斷

WWDG：連到EXTI的電源電壓檢測(PVD)中斷

PVD：連到EXTI的電源電壓檢測(PVD)中斷

TAMPER：侵入檢測中斷

RTC：實時時鐘(RTC)全域性中斷

FLASH：快閃記憶體全域性中斷

RCC：復位和時鐘控制(RCC)中斷

EXTI0：EXTI線0中斷

DMA1通道1：DMA1通道1全域性中斷

ADC1_2：ADC1和ADC2的全域性中斷

USB_HP_CAN_TX：USB高優先順序或CAN傳送中斷

CAN_RX1：CAN接收1中斷

EXTI9_5：EXTI線[9:5]中斷

TIM1_BRK：TIM1剎車中斷

I2C1_EV：I2C1事件中斷

SPI1：SPI1全域性中斷

USART1：USART1全域性中斷

RTCAlarm：連到EXTI的RTC鬧鐘中斷

USB喚醒：連到EXTI的從USB待機喚醒中斷

FSMC：FSMC全域性中斷

SDIO：SDIO全域性中斷

中斷優先順序：
搶佔優先順序(pre)>響應優先順序(sub)>自然優先順序
數值越小，優先順序越高

NVIC的使用：
1，設定中斷分組(SCB_AIRCR)：HAL_NVIC_SetPriorityGrouping
2，設定中斷優先順序(NVIC_IPRx)：HAL_NVIC_SetPriority
3，使能中斷(NVIC_ISER)：HAL_NVIC_EnableIRQ

EXTI基本概念：
外部(擴充套件)中斷事件控制器，包含20個產生事件/中斷請求的邊沿檢測器，即總共：20條EXTI線（F1）
中斷和事件的理解：
中斷：要進入NVIC，有相應的中斷服務函式，需要CPU處理
事件：不進入NVIC，僅用於內部硬體自動控制的，如：TIM、DMA、ADC
EXTI主要特性：
F1/F4/F7系列
每條EXTI線都可以單獨配置：選擇型別（中斷或者事件）、觸發方式（上升沿，下降沿或者雙邊沿觸發）、支援軟體觸發、開啟/遮蔽、有掛起狀態位
H7系列
由其它外設對 EXTI 產生的事件分為可配置事件和直接事件。
可配置事件：簡單概括，基本和F1/F4/F7系列類似
直接事件：固定上升沿觸發、不支援軟體觸發、無掛起狀態位（由其它外設提供）

AFIO：複用功能IO，主要用於重對映和外部中斷對映配置
配置AFIO暫存器之前要使能AFIO時鐘：__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
1，除錯IO配置
2，重對映配置
3，外部中斷配置

SYSCFG：系統配置控制器，用於外部中斷對映配置等
使能SYSCFG時鐘：__HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();
外部中斷配置

如何使用中斷：
GPIO外部中斷：設定輸入模式(GPIO)->設定EXTI和IO對映關係(AFIO或SYSCFG)->EXTI->
外設中斷：開啟外設相關中斷(USART/TIM/SPI…)->
設定中斷分組、優先順序、使能(NVIC)->按優先順序順序，依次處理中斷(CPU)

EXTI的配置步驟（外部中斷）：
1，使能GPIO時鐘：__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE
2，設定GPIO輸入模式
3，使能AFIO/SYSCFG時鐘
4，設定EXTI和IO對應關係
5，設定EXTI遮蔽，上/下沿
6，設定NVIC
設定中斷分組：HAL_NVIC_SetPriorityGrouping，此函式僅需設定一次
設定中斷優先順序：HAL_NVIC_SetPriority
使能中斷：HAL_NVIC_EnableIRQ
7，設計中斷服務函式：EXTIx_IRQHandler，中斷服務函式，清中斷標誌
步驟2 - 5使用HAL_GPIO_Init一步到位

STM32有：EXTI0~4(5)、EXTI9_5(1)、EXTI15_10(1)，7個外部中斷服務函式

資料通訊：

按資料通訊方式分類：序列通訊、並行通訊

按資料傳輸方向分類：單工通訊、半雙工通訊、全雙工通訊

單工通訊：資料只能沿一個方向傳輸

半雙工通訊：資料可以沿兩個方向傳輸，但需要分時進行

全雙工通訊：資料可以同時進行雙向傳輸

按資料同步方式分類：同步通訊、非同步通訊

同步通訊：共用同一時鐘訊號

非同步通訊：沒有時鐘訊號，透過在資料訊號中加入起始位和停止位等一些同步訊號

1，位元率：每秒鐘傳送的位元數，單位bit/s

2，波特率：每秒鐘傳送的碼元數，單位Baud

3，位元率 = 波特率 * log2 M ，M表示每個碼元承載的資訊量

4，二進位制系統中，波特率數值上等於位元率

序列通訊介面：指按位傳送和接收的介面。如：RS-232/422/485等

RS-232介面(DB9)

資料：

TXD（pin 3）：串列埠資料輸出

RXD（pin 2）：串列埠資料輸入

握手：

RTS（pin 7）：請求傳送

CTS（pin 8）：清除傳送

DSR（pin 6）：資料傳送就緒

DCD（pin 1）：資料載波檢測

DTR（pin 4）：資料終端就緒

地線：GND（pin 5）：訊號地

其他：RI（pin 9）：振鈴指示

RS-232電平與COMS/TTL電平對比
1，RS-232電平--邏輯1：-15V ~ -3V；邏輯0：+3V ~ +15V
2，COMS電平（3.3V）--邏輯1：3.3V；邏輯0：0V
3， TTL電平（5V）--邏輯1：5V；邏輯0：0V

RS-232通訊示意圖：
控制器A<-(TTL/COMS電平)->電平轉換晶片<-(RS-232電平)->DB9介面<-(RS-232電平)->DB9介面<-(RS-232電平)->電平轉換晶片<-(TTL/COMS電平)->控制器B
電平轉換晶片：MAX3232或者SP3232等

串列埠與電腦USB口通訊示意圖：
USB介面(安裝CH340 USB 虛擬串列埠驅動)<-(USB電平標準)->Type-c介面<-(USB電平標準)->USB/串列埠轉換電路(CH340C)<-(TTL/COM電平)->STM32開發板(TXD/RXD)

USART簡介
USART：通用同步非同步收發器
UART：通用非同步收發器
USART/UART都可以與外部裝置進行全雙工非同步通訊
USART，常用的也是非同步通訊

USART主要特徵：
1，全雙工非同步通訊
2，單線半雙工通訊
3，單獨的傳送器和接收器使能位
4，可配置使用DMA的多緩衝器通訊
5，多個帶標誌的中斷源

STM32F1/F4/F7/H7的USART框圖：

外部裝置->序列資料輸入(RXD)->接收移位暫存器->接收資料暫存器(RDR)->

F7/H7：CPU->

F1/F4：資料暫存器(DR)->

傳送資料暫存器(TDR)->傳送移位暫存器->序列資料輸出(TXD)->外部裝置

設定USART/UART波特率（F1）：
波特率計算公式：baud=f_ck /(16∗USARTDIV)
USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIV_Fraction/16)
f_ck 是串列埠的時鐘，如：USART1的時鐘是PCLK2,其他串列埠都是PCLK1
USARTDIV的值寫入USART_BRR暫存器

/*波特率為115200為例：115200=72000000/(16∗USARTDIV)->USARTDIV=39.0625*/
uint16_t mantissa; 
uint16_t fraction; 
mantissa=39; 
fraction=0.0625*16+0.5=0x01;          /* USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction/16) */
USART1->BRR = (mantissa << 4) + fraction;

暫存器版本例程的寫法：USART1->BRR =(f_ck +(baud/2))/baud

USART/UART波特率（F4）：
波特率計算公式：baud=f_ck /(8∗(2−OVER8)∗USARTDIV)
USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIV_Fraction/8∗(2−OVER8))

USART/UART波特率（F7）：
16倍過取樣波特率計算公式：baud=f_ck /USARTDIV
8倍過取樣波特率計算公式：baud=(2∗f_ck )/USARTDIV

USART/UART波特率（H7）：
16倍過取樣波特率計算公式：baud=(usart_ker_ckpres)/USARTDIV
8倍過取樣波特率計算公式：baud=(2∗usart_ker_ckpres)/USARTDIV
usart_ker_ckpres是串列埠的工作時鐘

波特率暫存器（BRR）：把USART_CR1暫存器的位15設定為0，即使用16倍過取樣。

HAL庫外設初始化MSP回撥機制：
HAL_PPP_Init()->呼叫MSP回撥函式:HAL_PPP_MspInit()
MSP回撥函式作用：配置PPP外設用到的硬體，如：GPIO、NVIC、CLOCK等，使用者可選擇是否使用並重新定義該函式

HAL庫外設初始化MSP回撥機制- USART為例：
HAL_UART_Init()->HAL_UART_MspInit()->

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
    if(huart->Instance == USART1)                /* 如果是串列埠1，進行串列埠1 MSP初始化 */
    {
	/* （1）使能USART1和對應IO時鐘，（2）初始化IO，（3）使能USART1中斷，設定優先順序 */
    }
}

HAL庫中斷回撥機制：
HAL_PPP_IRQHandler()->HAL_PPP_xxxCallback()

HAL庫中斷回撥機制 - USART為例（F1）：
USARTx_IRQHandler()或者UARTx_IRQHandler()->HAL_USART_IRQHandler()或者HAL_UART_IRQHandler()->呼叫中斷回撥函式

UART中斷回撥函式：
HAL_UART_TxCpltCallback()                      /* 傳送完成回撥函式 */
HAL_UART_TxHalfCpltCallback()                  /* 半傳送完成回撥函式 */
HAL_UART_RxCpltCallback()                      /* 接收完成回撥函式 */
HAL_UART_RxHalfCpltCallback()                  /* 半接收完成回撥函式 */
HAL_UART_ErrorCallback()                       /* UART錯誤回撥函式 */
HAL_UART_AbortCpltCallback()                   /* UART中止回撥函式 */
HAL_UART_AbortTransmitCpltCallback()           /* UART傳送中止回撥函式 */
HAL_UART_AbortReceiveCpltCallback()            /* UART接收中止回撥函式 */

USART/UART非同步通訊配置步驟：
1，配置串列埠工作引數：HAL_UART_Init()
2，串列埠底層初始化：HAL_UART_MspInit() 配置GPIO、NVIC、CLOCK等
3，開啟串列埠非同步接收中斷：HAL_UART_Receive_IT()
4，設定優先順序，使能中斷：HAL_NVIC_SetPriority()、 HAL_NVIC_EnableIRQ()
5，編寫中斷服務函式：USARTx_IRQHandler()、 UARTx_IRQHandler()
6，串列埠資料傳送：USART_DR， HAL_UART_Transmit()

USART/UART非同步通訊相關函式介紹：
1，HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)

關鍵結構體（F1）：
typedef struct 
{    uint32_t BaudRate; 		/* 波特率 */ 
     uint32_t WordLength; 	    /* 字長 */
     uint32_t StopBits; 		/* 停止位 */ 
     uint32_t Parity; 			/* 奇偶校驗位 */ 
     uint32_t Mode; 			/* UART 模式 */ 
     uint32_t HwFlowCtl; 		/* 硬體流設定 */ 
     uint32_t OverSampling; 	/* 過取樣設定 */ 
}UART_InitTypeDef

2，HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
作用：以中斷的方式接收指定位元組的資料
形參 1 是 UART_HandleTypeDef 結構體型別指標變數
形參 2 是指向接收資料緩衝區
形參 3 是要接收的資料大小，以位元組為單位

3，HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
作用：以阻塞的方式傳送指定位元組的資料
形參 1 ：UART_HandleTypeDef 結構體型別指標變數
形參 2：指向要傳送的資料地址
形參 3：要傳送的資料大小，以位元組為單位
形參 4：設定的超時時間，以ms單位

IO引腳複用：IO埠的輸入或輸出是由其它非GPIO外設控制，我們稱之為複用
通用：IO埠的輸入或輸出是由GPIO外設控制，我們稱之為通用

串列埠接收資料過程：
HAL_UART_Receive_IT()->以中斷的方式接收一個位元組資料：uint8_t g_rx_buffer[1]->在接收完成回撥函式中處理接收到的資料：HAL_UART_RxCpltCallback()->接收資料引入接收資料狀態變數(制定接收協議)：uint16_t g_usart_rx_sta ->bit15，接收到0x0A(換行)，接收完成標誌；bit14，接收到0x0D(回車)；bit13~0，接收到的有效位元組數目：uint8_t g_usart_rx_buf[200]

串列埠傳送資料過程：
如果收到資料，獲取資料長度：uint16_t g_usart_rx_sta ->等待SR暫存器TC位置1（即等待傳送完成）：HAL_UART_Transmit()->傳送完成，清標誌->->

IWDG簡介：獨立看門狗
本質：能產生系統復位訊號的計數器
特性：遞減的計數器；時鐘由獨立的RC振盪器提供（可在待機和停止模式下執行）；看門狗被啟用後，當遞減計數器計數到0x000時產生復位
餵狗：在計數器計數到0之前，重灌載計數器的值，防止復位：IWDG有什麼作用
作用：主要用於檢測外界電磁干擾，或硬體異常導致的程式跑飛問題
獨立看門狗是異常處理的最後手段，不可依賴，應在設計時儘量避免異常的發生

IWDG溢位時間計算：
IWDG溢位時間計算公式(HAL庫)：T_out =(psc∗𝑟𝑙𝑟)/f_{𝐼𝑊𝐷𝐺}
T_out：溢位時間
f_{𝐼𝑊𝐷𝐺}：時鐘源頻率
psc：預分頻係數
rlr：重灌載值
暫存器設定分頻係數的方法："psc" =4∗2^prer
prer是IWDG_PR 的值
IWDG溢位時間計算公式(暫存器)：T_out =((4∗2^prer)∗𝑟𝑙𝑟)/f_{𝐼𝑊𝐷𝐺}

IWDG配置步驟：
1，使能IWDG，設定預分頻係數和重灌載值等(IWDG_PR/RL/KR)：HAL_IWDG_Init()

typedef struct 
{ 
   IWDG_TypeDef *Instance; /* IWDG 暫存器基地址 */
   IWDG_InitTypeDef Init;       /* IWDG 初始化引數 */
}IWDG_HandleTypeDef;

2，把重灌載暫存器的值過載到計數器中，餵狗(IWDG_KR)：HAL_IWDG_Refresh()

typedef struct
{ 
    uint32_t Prescaler;  /* 預分頻係數 */ 
    uint32_t Reload;       /* 重灌載值 */ 
} IWDG_InitTypeDef;

->->->->

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