3.外设GPIO、中断

GPIO：通用输入输出端口
GPIO特点：
1.快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期（F1最高速度可以到50Mhz）
2.每个IO口都可以做中断
3.支持8种工作模式
GPIO电气特性：
STM32工作电压范围：2 V ≤ VDD ≤ 3.6 V
GPIO识别电压范围：
  COMS端口：-0.3V ≤ VIL ≤ 1.164V(0)；1.833V ≤ VIH ≤ 3.6V(1)
  TTL端口：电平TF，5V
GPIO输出电流：单个IO最大25mA，总最大150mA，如果大于要考虑扩流方案：接三极管、MOS管、继电器

STM32引脚类型：电源引脚、晶振引脚、复位引脚、下载引脚、BOOT引脚、GPIO引脚
IO引脚分布特点：按组存在、组数视芯片而定、每组最多16个IO引脚

施密特触发器：整形电路，非标准方波->方波

MOS管是压控型元件，通过控制栅源电压（ Vgs ）来实现导通或关闭

    G：栅极

    S：源极

    D：漏极

导通条件：

    P：Vgs < 0

    N：Vgs > 0

 

GPIO工作模式

输入模式：

    1.输入浮空：空闲时，IO状态不确定，由外部环境决定

    2.输入上拉：空闲时，IO呈现高电平

    3.输入下拉：空闲时，IO呈现低电平

模拟输入：

    4.模拟功能：专门用于模拟信号输入或输出，如：ADC和DAC

通用输出模式：

    5.开漏输出：不能输出高电平，必须有外部（或内部）上拉才能输出高电平

    6.推挽输出：可输出高低电平，驱动能力强

复用功能模式：

    7.开漏式复用功能：不能输出高电平，必须有外部（或内部），上拉才能输出高电平；由其他外设控制输出

    8.推挽式复用功能：可输出高低电平，驱动能力强；由其他外设控制输出

 

GPIO寄存器介绍
F1系列：
CRL、CRH：配置工作模式，输出速度
IDR：输入数据，用于判断IO引脚电平
ODR：输出数据，用于设置IO引脚输出电平
BSRR：ODR寄存器的值

F4/F7/H7系列：
MODER：设置模式
OTYPER：输出类型
OSPEEDR：输出速度
PUPDR：上下拉电阻
IDR：输入数据
ODR：输出数据
BSRR：ODR寄存器值

建议使用BSRR寄存器控制输出
使用ODR，在读和修改访问之间产生中断时，可能会发生风险；BSRR则无风险。

设置通用外设驱动模型（四步法）
1，初始化：时钟设置、参数设置、IO设置、中断设置(开中断、设NVIC)
2，读函数（可选）：从外设读取数据
3，写函数（可选）：往外设写入数据
4，中断服务函数（可选）：根据中断标志，处理外设各种中断事务

GPIO配置步骤：
1，使能时钟：__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()
2，初始化GPIO：HAL_GPIO_Init()
3，设置输出状态（可选）：控制IO输出高/低电平--HAL_GPIO_WritePin() 、每次调用IO输出电平翻转一次--HAL_GPIO_TogglePin()
4，读取IO电平（可选）：HAL_GPIO_ReadPin()

结构体

typedef struct 
{ uint32_t Pin;              /* 引脚号 */ uint32_t Mode;         /* 模式设置 */ uint32_t Pull;            /* 上拉下拉设置 */ uint32_t Speed;       /* 速度设置 */uint32_t Alternate; /* 复用功能 */
} GPIO_InitTypeDef;

中断：打断CPU执行正常的程序，转而处理紧急程序，然后返回原暂停的程序继续运行
中断的作用：1，实时控制；2，故障处理；3，数据传输
中断的意义：高效处理紧急程序，不会一直占用CPU资源

GPIO外部中断简图：GPIO->AFIO(F1)、SYSCFG(F4/F7/H7)->EXTI->NVIC->CPU

NVIC：嵌套向量中断控制器，属于内核
中断向量表：定义一块固定的内存，以4字节对齐，存放各个中断服务函数程序的首地址
中断向量表定义在启动文件，当发生中断，CPU会自动执行对应的中断服务函数
NVIC还有：中断挂起，解挂，激活标志等非常用功能。

 

内部中断

    Reset：复位

    NMI：不可屏蔽中断

    HardFault：硬件失效

    MemManage：存储器管理

    BusFault：预取指失败，存储器访问失败

    UsageFault：未定义的指令或非法状态

    SVCall：通过SWI指令的系统服务调用

    DebugMonitor：调试监控器

    PendSV：可挂起的系统服务

    SysTick：系统滴答定时器

外部中断

    WWDG：连到EXTI的电源电压检测(PVD)中断

    PVD：连到EXTI的电源电压检测(PVD)中断

    TAMPER：侵入检测中断

    RTC：实时时钟(RTC)全局中断

    FLASH：闪存全局中断

    RCC：复位和时钟控制(RCC)中断

    EXTI0：EXTI线0中断

    DMA1通道1：DMA1通道1全局中断

    ADC1_2：ADC1和ADC2的全局中断

    USB_HP_CAN_TX：USB高优先级或CAN发送中断

    CAN_RX1：CAN接收1中断

    EXTI9_5：EXTI线[9:5]中断

    TIM1_BRK：TIM1刹车中断

    I2C1_EV：I2C1事件中断

    SPI1：SPI1全局中断

    USART1：USART1全局中断

    RTCAlarm：连到EXTI的RTC闹钟中断

    USB唤醒：连到EXTI的从USB待机唤醒中断

    FSMC：FSMC全局中断

    SDIO：SDIO全局中断

 

中断优先级：
抢占优先级(pre)>响应优先级(sub)>自然优先级
数值越小，优先级越高

NVIC的使用：
1，设置中断分组(SCB_AIRCR)：HAL_NVIC_SetPriorityGrouping
2，设置中断优先级(NVIC_IPRx)：HAL_NVIC_SetPriority
3，使能中断(NVIC_ISER)：HAL_NVIC_EnableIRQ

EXTI基本概念：
外部(扩展)中断事件控制器，包含20个产生事件/中断请求的边沿检测器，即总共：20条EXTI线（F1）
中断和事件的理解：
中断：要进入NVIC，有相应的中断服务函数，需要CPU处理
事件：不进入NVIC，仅用于内部硬件自动控制的，如：TIM、DMA、ADC
EXTI主要特性：
  F1/F4/F7系列
每条EXTI线都可以单独配置：选择类型（中断或者事件）、触发方式（上升沿，下降沿或者双边沿触发）、支持软件触发、开启/屏蔽、有挂起状态位
  H7系列
由其它外设对 EXTI 产生的事件分为可配置事件和直接事件。
可配置事件：简单概括，基本和F1/F4/F7系列类似
直接事件：固定上升沿触发、不支持软件触发、无挂起状态位（由其它外设提供）

AFIO：复用功能IO，主要用于重映射和外部中断映射配置
配置AFIO寄存器之前要使能AFIO时钟：__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
1，调试IO配置
2，重映射配置
3，外部中断配置

SYSCFG：系统配置控制器，用于外部中断映射配置等
使能SYSCFG时钟：__HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE(); 
外部中断配置

如何使用中断：
GPIO外部中断：设置输入模式(GPIO)->设置EXTI和IO映射关系(AFIO或SYSCFG)->EXTI->
外设中断：开启外设相关中断(USART/TIM/SPI…)->
设置中断分组、优先级、使能(NVIC)->按优先级顺序，依次处理中断(CPU)

EXTI的配置步骤（外部中断）：
1，使能GPIO时钟：__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE
2，设置GPIO输入模式
3，使能AFIO/SYSCFG时钟
4，设置EXTI和IO对应关系
5，设置EXTI屏蔽，上/下沿
6，设置NVIC
  设置中断分组：HAL_NVIC_SetPriorityGrouping，此函数仅需设置一次
  设置中断优先级：HAL_NVIC_SetPriority
  使能中断：HAL_NVIC_EnableIRQ
7，设计中断服务函数：EXTIx_IRQHandler，中断服务函数，清中断标志
步骤2 - 5使用HAL_GPIO_Init一步到位

STM32有：EXTI0~4(5)、EXTI9_5(1)、EXTI15_10(1)，7个外部中断服务函数

 

数据通信：

按数据通信方式分类：串行通信、并行通信

按数据传输方向分类：单工通信、半双工通信、全双工通信

    单工通信：数据只能沿一个方向传输

    半双工通信：数据可以沿两个方向传输，但需要分时进行

    全双工通信：数据可以同时进行双向传输

按数据同步方式分类：同步通信、异步通信

    同步通信：共用同一时钟信号

    异步通信：没有时钟信号，通过在数据信号中加入起始位和停止位等一些同步信号

 

1，比特率：每秒钟传送的比特数，单位bit/s

2，波特率：每秒钟传送的码元数，单位Baud

3，比特率 = 波特率 * log2 M ，M表示每个码元承载的信息量

4，二进制系统中，波特率数值上等于比特率

 

串行通信接口：指按位发送和接收的接口。如：RS-232/422/485等

RS-232接口(DB9)

数据：

    TXD（pin 3）：串口数据输出

    RXD（pin 2）：串口数据输入

握手：

    RTS（pin 7）：请求发送

    CTS（pin 8）：清除发送

    DSR（pin 6）：数据发送就绪

    DCD（pin 1）：数据载波检测

    DTR（pin 4）：数据终端就绪

地线：GND（pin 5）：信号地

其他：RI（pin 9）：振铃指示

RS-232电平与COMS/TTL电平对比
1，RS-232电平--逻辑1：-15V ~ -3V；逻辑0：+3V ~ +15V
2，COMS电平（3.3V）--逻辑1：3.3V；逻辑0：0V
3， TTL电平（5V）--逻辑1：5V；逻辑0：0V

RS-232通信示意图：
控制器A<-(TTL/COMS电平)->电平转换芯片<-(RS-232电平)->DB9接口<-(RS-232电平)->DB9接口<-(RS-232电平)->电平转换芯片<-(TTL/COMS电平)->控制器B
电平转换芯片：MAX3232或者SP3232等

串口与电脑USB口通信示意图：
USB接口(安装CH340 USB 虚拟串口驱动)<-(USB电平标准)->Type-c接口<-(USB电平标准)->USB/串口转换电路(CH340C)<-(TTL/COM电平)->STM32开发板(TXD/RXD)

USART简介
USART：通用同步异步收发器
UART：通用异步收发器
USART/UART都可以与外部设备进行全双工异步通信
USART，常用的也是异步通信

USART主要特征：
1，全双工异步通信
2，单线半双工通信
3，单独的发送器和接收器使能位
4，可配置使用DMA的多缓冲器通信
5， 多个带标志的中断源

STM32F1/F4/F7/H7的USART框图：

外部设备->串行数据输入(RXD)->接收移位寄存器->接收数据寄存器(RDR)->

F7/H7：CPU->

F1/F4：数据寄存器(DR)->

发送数据寄存器(TDR)->发送移位寄存器->串行数据输出(TXD)->外部设备

 设置USART/UART波特率（F1）：
波特率计算公式：baud=f_ck /(16∗USARTDIV)
USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIV_Fraction/16)
f_ck 是串口的时钟，如：USART1的时钟是PCLK2,其他串口都是PCLK1
USARTDIV的值写入USART_BRR寄存器

/*波特率为115200为例：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;

寄存器版本例程的写法：USART1->BRR =(f_ck  +(baud/2))/baud

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

USART/UART波特率（F7）：
16倍过采样波特率计算公式：baud=f_ck /USARTDIV
8倍过采样波特率计算公式：baud=(2∗f_ck )/USARTDIV

USART/UART波特率（H7）：
16倍过采样波特率计算公式：baud=(usart_ker_ckpres)/USARTDIV
8倍过采样波特率计算公式：baud=(2∗usart_ker_ckpres)/USARTDIV
usart_ker_ckpres是串口的工作时钟

波特率寄存器（BRR）：把USART_CR1寄存器的位15设置为0，即使用16倍过采样。

HAL库外设初始化MSP回调机制：
HAL_PPP_Init()->调用MSP回调函数:HAL_PPP_MspInit()
MSP回调函数作用：配置PPP外设用到的硬件，如：GPIO、NVIC、CLOCK等，用户可选择是否使用并重新定义该函数

HAL库外设初始化MSP回调机制- USART为例：
HAL_UART_Init()->HAL_UART_MspInit()->

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;if(huart->Instance == USART1)                /* 如果是串口1，进行串口1 MSP初始化 */{/* （1）使能USART1和对应IO时钟，（2）初始化IO，（3）使能USART1中断，设置优先级 */}
}

HAL库中断回调机制：
HAL_PPP_IRQHandler()->HAL_PPP_xxxCallback()

HAL库中断回调机制 - USART为例（F1）：
USARTx_IRQHandler()或者UARTx_IRQHandler()->HAL_USART_IRQHandler()或者HAL_UART_IRQHandler()->调用中断回调函数

UART中断回调函数：
HAL_UART_TxCpltCallback()                      /* 发送完成回调函数 */
HAL_UART_TxHalfCpltCallback()                  /* 半发送完成回调函数 */
HAL_UART_RxCpltCallback()                      /* 接收完成回调函数 */
HAL_UART_RxHalfCpltCallback()                  /* 半接收完成回调函数 */
HAL_UART_ErrorCallback()                       /* UART错误回调函数 */
HAL_UART_AbortCpltCallback()                   /* UART中止回调函数 */
HAL_UART_AbortTransmitCpltCallback()           /* UART发送中止回调函数 */
HAL_UART_AbortReceiveCpltCallback()            /* UART接收中止回调函数 */

USART/UART异步通信配置步骤：
1，配置串口工作参数：HAL_UART_Init()
2，串口底层初始化：HAL_UART_MspInit()    配置GPIO、NVIC、CLOCK等
3，开启串口异步接收中断：HAL_UART_Receive_IT()
4，设置优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、 HAL_NVIC_EnableIRQ()
5，编写中断服务函数：USARTx_IRQHandler()、 UARTx_IRQHandler()
6，串口数据发送：USART_DR， HAL_UART_Transmit()

USART/UART异步通信相关函数介绍：
1，HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)

关键结构体（F1）：
typedef struct 
{    uint32_t BaudRate; 		/* 波特率 */ uint32_t WordLength; 	    /* 字长 */uint32_t StopBits; 		/* 停止位 */ uint32_t Parity; 			/* 奇偶校验位 */ uint32_t Mode; 			/* UART 模式 */ uint32_t HwFlowCtl; 		/* 硬件流设置 */ uint32_t OverSampling; 	/* 过采样设置 */ 
}UART_InitTypeDef

2，HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
作用：以中断的方式接收指定字节的数据
形参 1 是 UART_HandleTypeDef 结构体类型指针变量
形参 2 是指向接收数据缓冲区
形参 3 是要接收的数据大小，以字节为单位

 3，HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
作用：以阻塞的方式发送指定字节的数据
形参 1 ：UART_HandleTypeDef 结构体类型指针变量
形参 2：指向要发送的数据地址
形参 3：要发送的数据大小，以字节为单位
形参 4：设置的超时时间，以ms单位 

IO引脚复用：IO端口的输入或输出是由其它非GPIO外设控制，我们称之为复用
通用：IO端口的输入或输出是由GPIO外设控制，我们称之为通用

串口接收数据过程：
HAL_UART_Receive_IT()->以中断的方式接收一个字节数据：uint8_t g_rx_buffer[1]->在接收完成回调函数中处理接收到的数据：HAL_UART_RxCpltCallback()->接收数据引入接收数据状态变量(制定接收协议)：uint16_t    g_usart_rx_sta ->bit15，接收到0x0A(换行)，接收完成标志；bit14，接收到0x0D(回车)；bit13~0，接收到的有效字节数目：uint8_t g_usart_rx_buf[200]

串口发送数据过程：
如果收到数据，获取数据长度：uint16_t g_usart_rx_sta ->等待SR寄存器TC位置1（即等待发送完成）：HAL_UART_Transmit()->发送完成，清标志->->

IWDG简介 ：独立看门狗
本质：能产生系统复位信号的计数器
特性：递减的计数器；时钟由独立的RC振荡器提供（可在待机和停止模式下运行）；看门狗被激活后，当递减计数器计数到0x000时产生复位
喂狗：在计数器计数到0之前，重装载计数器的值，防止复位：IWDG有什么作用
作用：主要用于检测外界电磁干扰，或硬件异常导致的程序跑飞问题
独立看门狗是异常处理的最后手段，不可依赖，应在设计时尽量避免异常的发生

IWDG溢出时间计算：
IWDG溢出时间计算公式(HAL库)：T_out =(psc∗𝑟𝑙𝑟)/f_{𝐼𝑊𝐷𝐺}
  T_out：溢出时间
  f_{𝐼𝑊𝐷𝐺}：时钟源频率
  psc：预分频系数
  rlr：重装载值
寄存器设置分频系数的方法："psc" =4∗2^prer
  prer是IWDG_PR 的值
IWDG溢出时间计算公式(寄存器)：T_out =((4∗2^prer)∗𝑟𝑙𝑟)/f_{𝐼𝑊𝐷𝐺}

IWDG配置步骤：
1，使能IWDG，设置预分频系数和重装载值等(IWDG_PR/RL/KR)：HAL_IWDG_Init()

typedef struct 
{ IWDG_TypeDef *Instance; /* IWDG 寄存器基地址 */IWDG_InitTypeDef Init;       /* IWDG 初始化参数 */
}IWDG_HandleTypeDef;

2，把重装载寄存器的值重载到计数器中，喂狗(IWDG_KR)：HAL_IWDG_Refresh()

typedef struct
{ uint32_t Prescaler;  /* 预分频系数 */ uint32_t Reload;       /* 重装载值 */ 
} IWDG_InitTypeDef;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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