一、前言

在之前的STM32的GPIO理論基礎知識中，分別對基本結構和工作模式進行了詳細的介紹。 GPIO基本結構中主要對GPIO內部的各個功能電路逐一的進行的分析； GPIO工作模式中主要介紹GPIO應用在不同的使用場景下，GPIO端口的靜態特征配置和動態的工作模式，同時對信號的工作流進行了分析。

這一篇主要對GPIO模塊使用到的寄存器進行詳細的分析介紹，適當了解GPIO寄存器的相關知識，可以對GPIO最底層的一些配置和工作原理有更好的認識，有助于加深對GPIO基本結構及工作模式的理解，同時對后續介紹到的GPIO在應用設計中有較好的幫助。

二、寄存器概述

圖1為STM32的GPIO模塊中寄存器的概述，總共有5種類型的寄存器。 這里需要了解的是GPIO模塊的port和pin的概念。 其中寄存器名稱中GPIOx的x表示不同的GPIO端口port，比如STM32芯片支持的port可以從A到I，GPIOA，GPIOB就表示了不同的端口； pin就是不同的port下支持的引腳，比如GPIOA下的引腳數從pin0到pin15。 因此port就是pin的集合，不同的port都有它自己的如下圖列出來的寄存器。

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圖1 GPIO寄存器概述

三、寄存器詳述

本節對寄存器位、寄存器偏移地址、復位值、寄存器功能定義進行介紹。 可通過字節（8 位）、半字（16 位）或字（32 位）對 GPIO 寄存器進行訪問。

（1）端口模式寄存器GPIOx_MODER

本寄存器的功能為設置GPIO端口的方向和模式，總共0到32位，每兩位就是該port下的pin值，例如將GPIOA_MODER的MODER0[1:0]配置為00，就是將GPIOA的pin0管腳功能配置為輸入類型的管腳，將GPIOA_MODER的MODER1[1:0]配置為00，就是將GPIOA的pin1管腳功能配置為輸入類型的管腳， 以此類推。

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圖2 GPIOx_MODER寄存器定義

（2）端口輸出類型寄存器GPIOx_OTYPER

本寄存器設置GPIO端口的輸出類型，前提是該端口中的pin已經配置成輸出功能。 該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對應的pin值，例如將GPIOA_OTYPER的OT0設置為1，就是將GPIOA的pin0管腳設置為輸出開漏的類型。

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圖3 GPIOx_OTYPER寄存器定義

（3）端口輸出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR

本寄存器設置GPIO的輸出速度頻率，前提是該端口中的pin已經應用作為輸出功能管腳。

這個速度是指輸出驅動電路的響應速度：（芯片內部在I/O口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路，用戶可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路，通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模塊，達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。 可理解為輸出驅動電路的帶寬：即一個驅動電路可以不失真地通過信號的最大頻率。

速度高的IO耗電大、噪聲也大，速度低的IO耗電小、噪聲也小。 使用合適的速度可以降低功耗和噪聲。 高頻的驅動電路，噪聲也高，當不需要高的輸出頻率時，請選用低頻驅動電路，這樣非常有利于提高系統的EMI性能，也可以降低功耗。 當然如果要輸出較高頻率的信號，但卻選用了較低頻率的速度，很可能會得到失真的輸出信號。 關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配。

比如：

①USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就夠了，既省電也噪聲小。

②I2C接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以選用10M的GPIO引腳速度。

③SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要選用50M的GPIO的引腳速度。

當為該端口下寄存器值的pin配置為11時，輸出速度和電容C有關，這是指對于CMOS工藝的集成電路而言，輸入阻抗是非常高的，主要功耗來自于絕緣柵等效的電容充放電效應。 既然是電容的充放電，考慮信號源的內阻（基于標準CMOS電路的輸出），根據RC充電常數和邏輯門限電平就能得出一個最小周期，其對應一個最高IO頻率。

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圖4 GPIOx_OSPEEDR寄存器定義

（4）端口上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR

該寄存器是配置端口對應的pin上是否需要配置芯片內部的上拉或者下拉電阻。

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圖5 GPIOx_PUPDR寄存器定義

STM32芯片GPIO的上拉電阻和下拉電阻最小值，典型值和最大值如下：

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（5）端口輸入數據寄存器 GPIOx_IDR

本寄存器讀取GPIO端口引腳的信號電平值。 該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對應的pin值，例如GPIOA_OTYPER的IDR00值為1，就是此時讀到GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號。

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圖6 GPIOx_IDR寄存器定義

（6）GPIO 端口輸出數據寄存器 GPIOx_ODR

本寄存器可以設置GPIO端口引腳的信號值。 前提是該引腳為普通的IO輸出引腳。 該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對應的pin值，例如設置GPIOA_OTYPER的ODR0值為1，就是此時輸出GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號。

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圖7 GPIOx_ODR寄存器定義

（7）GPIO 端口置位/復位寄存器GPIOx_BSRR

本寄存器可以通過寫入GPIOx_BSRR寄存器值，可以對GPIOx_ODR的對應位進行置位和復位。 既然GPIOx_ODR 能控制管腳高低電平，為什么還需要GPIOx_BSRR寄存器？

原因是GPIOx_BSRR去改變管腳狀態的時候是原子操作置位/復位，沒有被中斷打斷的風險。 也就不需要關閉中斷，關閉中斷明顯會延遲或丟失一事件的捕獲，所以控制GPIO的狀態最好可以用GPIOx_BSRR。

該寄存器的0到15位為置位功能，16到31位為復位功能。 例如設置GPIOA_BSRR的BS0值為1，相當于輸出GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號； 設置GPIOA_BSRR的BR0值為1，相當于輸出GPIOA的pin0管腳值為0低電平信號。

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圖8 GPIOx_BSRR寄存器定義

（8）GPIO 端口配置鎖定寄存器GPIOx_LCKR

本寄存器用于鎖定當前管腳的配置，可以保持管腳當前的狀態，保護管腳不受干擾，要使用該寄存器，需要先激活“鎖定”功能。 當執行正確的寫序列設置了位16(LCKK)時，鎖定功能被激活，LCKK位的寫序列為：寫1 -> 寫0 -> 寫1 -> 讀0 -> 讀1。 最后一個讀可省略，但可以用來確認鎖鍵已被激活。 被鎖定的管腳pin只有等到下次MCU復位才能被解鎖。

LCK0到LCK15為對應的pin0到pin15的鎖定配置，當需要鎖定對應的管腳pin時，在執行LCKK寫序列操作時，將對應的LCK位寫1。

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圖9 GPIOx_LCKR寄存器定義

（9）GPIO 復用功能低位寄存器GPIOx_AFRL

本寄存器可以設置GPIO端口引腳的復用功能，比如將該引腳設置成USART或者SPI類型的功能管腳，本寄存器AFRL0 ~ AFRL7分別對應引腳pin0~pin7，每個引腳又有4位可選，因此一個引腳可以在16中復用功能中選擇，例如將GPIOA_AFRL的AFRL0[3:0]= 0001，就是將GPIOA的pin0管腳應用成第2種復用功能AF1。

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圖10 GPIOx_AFRL寄存器定義

（10）GPIO 復用功能高位寄存器GPIOx_AFRH

本寄存器可以設置GPIO端口引腳的復用功能，本寄存器AFRL0 ~ AFRL7分別對應引腳pin0~pin7，功能上和復用功能低位寄存器GPIOx_AFRL一樣。

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圖11 GPIOx_AFRH寄存器定義

四、總結

本篇對STM32的GPIO對應的寄存器分別進行了介紹，了解了各個寄存器的功能和對應寄存器位的定義可以更方便的去理解在實際使用GPIO時的配置功能，后續篇章將對GPIO在實際開發中的設計配置及應用進行詳細的分析。