Современные 32-разрядные ARM-микроконтроллеры серии STM32: порты общего назначения GPIO

Введение

Порты ввода-вывода являются основными средствами связи микроконтроллера с внешними устройствами. С их помощью можно опрашивать состояние кнопок, контактов реле, уровней сигнала и т.п., а также формировать сигналы управления различными устройствами, например светодиодами, реле, оптическими транзисторами и т.д.

Порты ввода-вывода имеются практически в любом микроконтроллере независимо от его архитектуры. Не являются исключением и микроконтроллеры STM32 компании STMicroelectronics [1], имеющие в зависимости от модели до семи портов.

Описание портов GPIO

Все порты ввода-вывода STM32 являются 16-разрядными и называются GPIO, от General Purpose Input/Output (входы/выходы общего назначения). Порты обозначаются буквами латинского алфавита от A до G , т.е. имеют названия PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE, PORTF и PORTG.

Любой из единичных каналов этих портов может быть сконфигурирован как вход или как выход. Если канал порта настроен на ввод информации, он может функционировать как цифровой или аналоговый вход. В режиме цифрового входа канал порта подключается с помощью внутреннего подтягивающего резистора к плюсу источника питания или к нулевому потенциалу.

Настройка порта на вывод требует задания частоты тактирования, определяющей его максимальное быстродействие и тип выхода. Максимальное быстродействие может принимать значения: 2, 10 или 50 МГц.

Ниже перечислены возможные типы выхода:

• двухтактный выход;
• выход с открытым стоком;
• двухтактный выход с альтернативной функцией;
• выход с открытым стоком и альтернативной функцией.

Последние два режима применяются для выводов, которые используют какой-либо функциональный блок периферийного устройства, например SPI, I2C, USART, DAC и т.п. Интересной и полезной особенностью портов является возможность чтения состояния порта, настроенного как выход с открытым стоком. Это позволяет программе осуществлять чтение данных с двунаправленной линии связи без переконфигурирования порта. Такая операция часто востребована для организации программного интерфейса I2C и 1-Wire.

На рисунке приведена структурная схема одного канала порта ввода-вывода, иллюстрирующая вышеизложенное описание. С помощью транзисторов P-MOS и N-MOS выход порта может принимать значения высокого потенциала в качестве логической единицы или нулевого потенциала в качестве логического нуля. Если порт сконфигурирован как выход с открытым стоком, то для управления состоянием линии используется только нижний транзистор N-MOS, а верхний транзистор P-MOS находится в отключенном состоянии.

С помощью внутренних резисторов можно подтянуть вывод, сконфигурированный как вход, к положительному потенциалу источника питания или к нулевому потенциалу.

Важными элементами порта являются защитные диоды, функция которых – защищать входы контроллера от перенапряжений. Поскольку микроконтроллер питается от номинального напряжения 3,3 В, на его входы подаются сигналы с уровнями, не превышающими это напряжение. Однако некоторые входы микроконтроллера можно подключать к сигналам с 5 В логикой. Такие входы называются толерантными и имеют буквенное обозначение FT. Для подключения сигнала с 5 В логикой к нетолерантному входу необходимо использовать согласующее устройство, которое в простейшем случае представляет собой резистор, имеющий сопротивление 1 кОм.

Отличительной особенностью портов микроконтроллера STM32 является возможность программной блокировки настройки порта. Такая блокировка позволяет запретить изменение конфигурации порта программным образом и может быть снята только после аппаратного сброса. Данная блокировка служит в качестве дополнительной защиты каналов портов и подключенных к нему устройств, предотвращая выход из строя при сбоях от помех. В результате такого сбоя может произойти самопроизвольное изменение конфигурации вывода, при котором порт настроится на выход и вступит в конфликт с подключенным к нему выходом внешнего устройства. Для исключения подобных случаев и используется программная блокировка.

Регистры портов GPIO

Для конфигурирования портов и работы с ними микроконтроллер имеет по семь регистров для каждого порта. Эти регистры имеют следующие названия и назначение:

• CRL и CRH – регистры, задающие режим работы младшей и старшей половины порта;
• ODR – регистр для записи данных непосредственно в порт;
• IDR – регистр для чтения физического состояния выводов порта;
• BSRR – регистр установки и сброса разрядов порта;
• BRR – регистр сброса разрядов порта;
• LCKR – регистр для блокировки установленной конфигурации.

Рассмотрим подробнее каждый из этих регистров.

Регистры CRL и CRH представляют собой 32-разрядные регистры, задающие режим работы каждого вывода порта. Назначение всех разрядов для регистров CRL и CRH представлено в таблице 1 и таблице 2 соответственно.

Как видно из таблиц, для каждого из каналов порта имеется два двухразрядных поля CNFx[1:0] и MODEx[1:0]. Поле CNF определяет тип работы линии, а поле MODE – направление обмена по линии. Все биты этих полей доступны для чтения и записи.

Поле MODE[1:0] может принимать следующие значения:

• 00 – канал порта работает на ввод (такое состояние устанавливается после сброса);
• 01 – канал порта работает на выход с максимальной частотой переключения 10 МГц;
• 10 – канал порта работает на выход с максимальной частотой переключения 20 МГц;
• 11 – канал порта работает на выход с максимальной частотой переключения 50 МГц.

При работе на вход, когда MODE[1:0]=0, поле CNF[1:0] устанавливает следующие состояния каналов порта:

• 00 – аналоговый вход;
• 01 – дискретный вход в третьем состоянии (такое состояние устанавливается после сброса);
• 10 – дискретный вход с подтягивающим резистором к питанию или общей цепи в зависимости от состояния соответствующего разряда регистра BSRR;
• 11 – зарезервировано для будущих применений.

При работе канала порта на выход, когда поле MODE[1:0] отлично от 0, поле CNF[1:0] позволяет устанавливать следующие состояния каналов порта:

• 00 – цифровой симметричный выход;
• 01 – цифровой выход с открытым стоком;
• 10 – цифровой симметричный выход с альтернативной функцией;
• 11 – цифровой выход с альтернативной функцией и открытым стоком.

Регистр ODR представляют собой 32-разрядный регистр, предназначенный для записи данных непосредственно в порт. Однако в этом регистре используются только младшие 16 бит. Старшие биты, с 16-го по 31-й зарезервированы. Назначение разрядов регистра ODR представлено в таблице 3.

При записи в регистр ODR какого-либо значения, оно устанавливается на выходах соответствующего порта. Биты этого регистра доступны как для записи, так и для чтения.

Регистр IDR также является 32-разрядным регистром и служит для чтения физического состояния каналов порта, настроенных на вход. Аналогично регистру вывода ODR, в регистре ввода IDR используется только 16 младших бит из 32. Назначение разрядов регистра IDR представлено в таблице 4.

При чтении регистра IDR можно узнать состояние всех каналов соответствующего порта. Биты данного регистра доступны только для чтения.

32-разрядный регистр BSRR предназначен для сброса и установки отдельных каналов порта, настроенных на вывод. Назначение разрядов регистра BSRR представлено в таблице 5.

Данный регистр позволяет менять состояние конкретных каналов порта без изменения остальных каналов. Запись единицы в один из старших разрядов этого регистра сбрасывает соответствующий выход канала порта, а запись единицы в младшие разряды устанавливает высокий уровень сигнала на соответствующем канале порта.

Запись в регистр производится в формате 32-разрядного слова, при этом нулевые биты никакого действия не оказывают. Все разряды данного регистра доступны только для записи. Для исключения неоднозначности при одновременной записи единиц в разряды BS и BR приоритетными будут разряды BS, т.е. выходы каналов установятся в высокий уровень.

В принципе для записи любого значения в порт достаточно одного регистра ODR, но для того чтобы изменить с его помощью состояние только некоторых каналов порта, потребуется выполнить несколько операций. Вначале нужно будет прочесть состояние регистра ODR, затем модифицировать его и потом записать обратно, чтобы сохранить состояние остальных каналов порта. Таким образом, понадобится три команды, которые потребуют программную память микроконтроллера и время на их выполнение. Использование регистра BSRR позволяет установить или сбросить любой канал порта всего лишь с помощью одной команды. Это экономит память и время микроконтроллера.

Кроме того, с помощью этого регистра можно задать, какой из подтягивающих резисторов будет использоваться в случае настройки канала порта на ввод. Единичное состояние соответствующего разряда регистра подключит вход канала через подтягивающий резистор к плюсовому источнику питания, а нулевое состояние – к общей цепи.

Регистр BRR представляет собой 32-разрядный регистр, предназначенный лишь для сброса в нулевое состояние каналов порта, настроенных на вывод. Аналогично регистру вывода ODR, в регистре ввода IDR используется только 16 младших бит из 32. Назначение разрядов регистра IDR представлено в таблице 6.

Так же как и для регистра BSRR, запись в регистр BRR нулевых бит никакого действия не оказывает. Все разряды данного регистра доступны только для записи.

Данный регистр, в отличие от регистра BSRR, позволяет осуществлять сброс каналов порта без смещения на 16 разрядов. Во многих случаях это облегчает труд программистов.

Наконец, последний регистр LCKR, представляющий собой 32-разрядный регистр, предназначен для блокировки установленной конфигурации. В регистре блокировки LCKR используется 17 младших разрядов из 32, остальные разряды зарезервированы. Назначение всех разрядов регистра LCKR представлено в таблице 7.

Разряды от 0 до 15-го регистра LCKR определяют каналы порта, а разряд 16 с именем LCKK предназначен для осуществления самой операции блокировки конфигурации. Все задействованные биты данного регистра доступны для записи и чтения.

Процедура блокировки осуществляется следующим образом:

• установить бит LCK, соответствующий блокируемому каналу, в единичное состояние;
• выполнить последовательно запись в разряд LCKK значения 1, затем 0 и снова 1;
• прочесть регистр LCKR;
• повторно прочесть регистр LCKR.

Все операции должны быть выполнены последовательно друг за другом. После чего запись в конфигурационные регистры портов CRL и CRH будет заблокирована. Разблокировать её можно будет только аппаратным сбросом.

Более подробное описание назначения регистров GPIO можно найти в источнике [2].

Программная инициализация

Перед началом работы любого порта GPIO STM32 его необходимо настроить. Для этого требуется разрешить тактирование порта, задать его максимальную тактовую частоту и установить режим работы. Включать тактирование порта необходимо, поскольку после сброса оно автоматически отключается для того, чтобы снизить потребление тока и предотвратить нагрев микроконтроллера. Кстати сказать, тактирование изначально отключено не только для всех портов, но и для многих других функциональных блоков.

Ниже приведен пример настройки порта GPIOA на языке Си в режим цифрового симметричного выхода:

// Разрешить тактирование порта GPIOA
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
// Конфигурирование канала 0
порта GPIOA на вывод
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0; // Очистить разряды MODE
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0_0; // Задать частоту 10 МГц
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // Обнулить разряды CNF, установив режим симметричного выхода

Для настройки данного канала порта в режим выхода с открытым стоком следует добавить операторы:

GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_0; // Установить режим выхода с открытым стоком

Поскольку микроконтроллеры ARM Cortex содержат большое количество функциональных блоков и, соответственно, регистров для их инициализации, разработчиками программного обеспечения были созданы специальные структуры данных и библиотеки, предназначенные для облегчения труда программистов. К их числу относится библиотека CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard), которая представляет собой единый стандарт описаний ресурсов микроконтроллеров ARM Cortex.

Программы для ARM-микроконтроллеров, написанные на языке программирования Си, активно используют разнообразные структуры данных и определений из этих библиотек. Это позволяет легко переносить программы, написанные для одного типа микроконтроллера, на другой, поскольку вместо конкретных значений адресов регистров и числовых констант для инициализации используются символьные имена и указатели на них. Такие имена заранее определены в библиотечных файлах для конкретных моделей АРМ-микроконтроллеров и эквивалентны конкретным числовым значениям.

В приведённом выше примере как раз используются такие элементы. Например, запись RCC->APB2ENR представляет собой обращение к регистру APB2ENR из группы регистров тактирования и контроля RCC, а RCC_APB2ENR_IOPAEN является символьной записью значения управляющего бита порта PORTA в регистре APB2ENR. В числовом виде RCC_APB2ENR_IOPAEN выглядит как 0x00000004.

Символьные имена для всех портов STM32, включая приведённые выше, содержатся в файле stm32f10x.h среды разработки Keil.

Перед установкой конфигурации порта поля регистра для нужного нам канала очищаются с помощью обнуления всех разрядов этих полей. Для установки конфигурации порта используется оператор «|» логической функции «ИЛИ», который позволяет установить нужные разряды в поле регистра или оператор «&» логической функции «И» для обнуления конкретных разрядов регистра.

При необходимости одновременной настройки нескольких каналов порта можно использовать объединение нескольких значений с помощью оператора «ИЛИ». Например, задать частоту 10 МГц для PORTA.0 и PORTA.1 можно так:

GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0_0 | GPIO_CRL_MODE1_0

После выполнения всех этих действий настройку порта можно считать законченной.

Описанную выше настройку также можно произвести с помощью следующих двух строк:

RCC->APB2ENR |= 0x00000004; // Разрешить тактирование порта GPIOA
GPIOA->CRL = 0x00000001; // PORTA.0 в режим симметричного выхода с частотой 10 МГц

Однако такая запись труднее поддаётся анализу и в ней легче совершить ошибку.

Запись данных в регистр любого порта производится классическим способом, с помощью операции присвоения:

GPIOA->ODR=0x0001; // Записать в PORTA значение 0x0001

Для установки или сброса нескольких каналов порта можно использовать регистр BSRR, например, так:

GPIOA->BSRR=0x00020001; // Установить канал 0 и сбросить канал 1 порта А

Аналогичную процедуру можно выполнить с помощью предопределённых констант:

GPIOA->BSRR=GPIO_BSRR_BS0 | GPIO_BSRR_BR1;

Для настройки этого же порта на аналоговый вход применяются следующие операторы:

// Конфигурирование канала 0 порта GPIOA как аналоговый вход
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0; // Очистить разряды MODE регистра CRL
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // Очистить разряды CNF регистра CRL

Чтобы настроить порт на дискретный вход, следует добавить оператор:

GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_0; // Дискретный вход без подтяжки к шине питания

Наконец, чтобы подтянуть этот вход к шине питания, используются операторы:

GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS0; // Подтянуть вход к плюсовому потенциалу

или

GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR0; // Подтянуть вход к нулевому потенциалу

Чтение данных порта или состояния конкретного канала производится с помощью регистра IDR. Вот несколько примеров чтения данных:

x= GPIOA->IDR; // Присвоить переменной x данные из порта А
if (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0) x=1; // Если канал 0 порта А
не сброшен, то x=1

С помощью таких простых операторов можно построить любую сложную программу, которая сможет анализировать состояние внешних устройств и управлять ими.

Существуют и другие способы обращения к регистрам STM32, например с применением библиотек отладочного комплекта STM32VLDISCOVERY.

Однако все эти способы в конце концов сводятся к простейшим операциям чтения и записи регистров. Естественно, каждый разработчик имеет право сам определить, какой способ ему больше нравится и что использовать.

Литература

1. https://www.st.com
2. http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/CD00246267.pdf

© СТА-ПРЕСС