青风tm4c讲座第三讲：gpio的驱动，点亮led灯

4.1 GPIO的驱动与开发

    4.11 原理分析：

        大家之前学习过51单片机，也使用过IO口。与51的IO进行对比，Cortex M4的IO配置有点区别。51不需要设置IO口为输入或者输出,除了做为输入捕获，基本就是作为输出端口进行使用了。而Cortex M4的IO口有多种状态需要设置，那么下面我们就一一道来：

           I/O（Input/Output）接口是一颗微控制器必须具备的最基本外设功能。在TM4C系列ARM里，所有I/O都是通用的，称为GPIO（General Purpose Input/Output）。      GPIO模块由14个物理GPIO块组成，一块对应一个GPIO端口（PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG、PH、PJ、PK、PL、PM、PN、PP）。每个GPIO端口包含多个管脚，如PA端口是PA0～PA7。GPIO模块遵循FiRM（Foundation IP for Real-Time Microcontrollers）规范，并且支持多达105个可编程输入/输出管脚（具体取决于与GPIO复用的外设的使用情况）。

          下图给出了GPIO模块各个端口相应寄存器的结构图，大家看懂这个结构图，也就对GPIO口的操作有了整体的了解。

                     图1：数字/模拟IO结构图

         比如：port control寄存器控制端口输入和输出,Date control控制数据量。详细的说明大家参考datasheet。如果TI没有给出函数库，那么编写程序进行寄存器配置就是很重要的一环。

          在inc/tm4c123gh6pz.h文件中对tm4c123gh6pz（LM4F232）寄存器进行了全面的配置，TI的这个头文件采取的是一次列举的方式分配寄存器地址的。有的32位ARM的头文件则采取的是结构体的方式分配地址的。

        那么谈到GPIO的使用，我们最重点注意的还是IO端口状态的配置。GPIO的寄存器配置常用的有：

        数据寄存器操作，数据方向操作，中断操作，端口模式操作 等等。

        如果大家直接操作响应寄存器是可以的，但是TI配备了完整的函数库，使用函数库进行操作就变的很简单了。这也是我们下面的软件编程中要详细介绍的。

        在TM4C系列ARM里，GPIO管脚可以被配置为多种工作模式，其中有3种比较常用：高阻输入、推挽输出、开漏输出。这三种模式，大家在模电数电中已经有过了解了：

    1． 高阻输入(Input)

如图2所示，为GPIO管脚在高阻输入模式下的等效结构示意图。这是一个管脚的情况，其它管脚的结构也是同样的。输入模式的结构比较简单，就是一个带有施密特触发输入（Schmitt-triggered input）的三态缓冲器（U1），并具有很高的输入等效阻抗。

                                                                              

                                  图2：高阻输入

   2．推挽输出(Output)

   如图3所示，为GPIO管脚在推挽输出模式下的等效结构示意图。U1是输出锁存器，执行GPIO管脚写操作时，在写脉冲（Write Pulse）的作用下，数据被锁存到Q和/Q。T1和T2构成CMOS反相器，T1导通或T2导通时都表现出较低的阻抗，但T1和T2不会同时导通或同时关闭，最后形成的是推挽输出。在Stellaris系列ARM里，T1和T2实际上是多组可编程选择的晶体管，驱动能力可配置为2mA、4mA、8mA，以及带转换速率（Slew Rate）控制的8mA驱动。

               

                                  图3：推挽输出

   3．开漏输出(OutputOD)

如图4所示，为GPIO管脚在开漏输出模式下的等效结构示意图。开漏输出和推挽输出相比结构基本相同，但只有下拉晶体管T1而没有上拉晶体管。同样，T1实际上也是多组可编程选择的晶体管。开漏输出的实际作用就是一个开关，输出“1”时断开、输出“0”时连接到GND（有一定内阻）。回读功能：读到的仍是输出锁存器的状态，而不是外部管脚Pin的状态。因此开漏输出模式是不能用来输入的。

                     

                                 图4：开漏输出

  当然Cortex  M4  TM4C123gh6pz（LM4F232）的寄存器要比51，AVR的单片机寄存器多一些，他所需用的工作状态也要复杂的多，详细的寄存器配置大家可以查看数据手册，这里就不展开了。

4.12 硬件设计：

   实验硬件采用：青风 QF-Hanker  V2.0开发板. 开发板中，我们给出了一个用户LED灯。电路如图所示，通过PC7口进行控制：

                                             

                                                        图5：硬件电路图

4.13软件设计：

        学会使用TI的函数库进行编程。我们过去编写51等单片机时是直接配置寄存器的，使用函数库这种方法对于越来越复杂的MCU是非常必须的。Cortex M4内部的寄存器比较多，如果去慢慢了解寄存器需要花费大量的时间。而直接使用TI封装好的函数库能够大大减少入门时间，开发者可以集中精力于项目功能的实现，大大缩短了开发时间。当然有时间深入研究的朋友也可以编写自己的函数库，一句话，怎么方便怎么来。

       大家可以查看TI外设函数库驱动文档，对函数库进行详细了解。这里先介绍结构GPIO端口常用的函数：

1.GPIOPadConfigSet  设置指定管脚的配置。

  函数原型：  GPIOPadConfigSet(unsigned long ulPort,

unsigned char ucPins,

unsigned long ulStrength,

unsigned long ulPinType)

参数：

ulPort是GPIO端口的基址。

ucPins是特定管脚的位组合（bit-packed）表示。

ulStrength指定输出驱动强度。

ulPinType指定管脚类型。

描述：

这个函数设置所选GPIO端口指定管脚的驱动强度和类型。对于配置用作输入端口的管脚，端口按照要求配置，但是对输入唯一真正的影响是上拉或下拉终端的配置。

参数ulStrength可以是下面的一个值：

GPIO_STRENGTH_2MA；

GPIO_STRENGTH_4MA；

GPIO_STRENGTH_8MA；

GPIO_STRENGTH_8MA_SC。

在上面的值中，GPIO_STRENGTH_xMA指示2、4或8mA的输出驱动强度；而GPIO_OUT_STRENGTH_8MA_SC指定了带斜率控制（slew control）的8mA输出驱动。

参数ulPinType可以是下面的其中一个值：

GPIO_PIN_TYPE_STD；

GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU；

GPIO_PIN_TYPE_STD_WPD；

GPIO_PIN_TYPE_OD；

GPIO_PIN_TYPE_OD_WPU；

GPIO_PIN_TYPE_OD_WPD；

GPIO_PIN_TYPE_ANALOG。

在上面的值中，GPIO_PIN_TYPE_STD*指定一个推挽管脚，GPIO_PIN_TYPE_OD*指定一个开漏管脚，*_WPU指定一个弱上拉，*_WPD指定一个弱下拉，GPIO_PIN_TYPE_ANALOG指定一个模拟输入（对于比较器来说）。管脚用一个位组合（bit-packed）的字节来指定，在这个字节中，置位的位用来识别被访问的管脚，字节的位0代表GPIO端口管脚0、位1代表GPIO端口管脚1等等。

2.GPIODirModeSet：设置指定管脚的方向和模式。

函数原型：void

GPIODirModeSet(unsigned long ulPort,

unsigned char ucPins,

unsigned long ulPinIO)

参数：

ulPort是GPIO端口的基址。

ucPins是管脚的位组合（bit-packed）。

ulPinIO是管脚方向“与/或”模式。

描述：

这个函数在软件控制下将所选GPIO端口的指定管脚设置成输入或输出，或者，也可以将管脚设置成由硬件来控制。

参数ulPinIO是一个枚举数据类型，它可以是下面的其中一个值：

� GPIO_DIR_MODE_IN；

� GPIO_DIR_MODE_OUT；

� GPIO_DIR_MODE_HW。

在上面的值中，GPIO_DIR_MODE_IN表明管脚将被编程用作一个软件控制的输入，GPIO_DIR_MODE_OUT表明管脚将被编程用作一个软件控制的输出，GPIO_DIR_MODE_HW表明管脚将被设置成由硬件进行控制。

管脚用一个位组合（bit-packed）的字节来指定，这里的每个字节，置位的位用来识别被访问的管脚，字节的位0代表GPIO端口管脚0、位1代表GPIO端口管脚1等等。

3.GPIOPinWrite向指定管脚写入一个值。

函数原型：

void

GPIOPinWrite(unsigned long ulPort,

unsigned char ucPins,

unsigned char ucVal)

参数：

ulPort是GPIO端口的基址。

ucPins是管脚的位组合（bit-packed）表示。

ucVal是写入到指定管脚的值。

描述：

将对应的位值写入ucPins指定的输出管脚。向配置用作输入的管脚写入一个值不会产生任何影响。

管脚用一个位组合（bit-packed）的字节来指定，在这个字节中，置位的位用来识别被访问的管脚，字节的位0代表GPIO端口管脚0、位1代表GPIO端口管脚1等等。

下面我们就来点亮其中led灯，并且不停闪烁，也就是把IO管脚定义为输出：

点亮一个led灯的过程我们可以归纳如下：

   1：配置系统时钟和使能GPIO端口外设，也就是开GPIO功能。

   2：配置GPIO端口驱动电流大小和管脚模式

   3：设置管脚为输出管脚。

   4：设置管脚输出是高电平还是低电平。

那么下面我们开始编写程序：

首先建立工程项目目录如下图所示，具体的建立要求的方法见上一章的快速入门：

由于我们需要使用库函数，因此除了调用我们写的主函数，再就是需要添加封装好的driverlib.lib库函数，这样整个工程项目就建立好了，下面就是来编写主函数了。

       主函数要使用库函数内的函数定义，因此需要调用如下一些函数库头文件：

//-----------------------------------------------------------------------------

// 文件名    : led闪烁

// 作者      : 青风

// ARM内核   : Cortex-M4

// 使用芯片  : LM4F232H5QD/tm4c123gh6pz

// 开发环境  : KEIL

// 版本记录  :  2013-6-10  14:30

//函数功能说明：led不停的闪动

//-----------------------------------------------------------------------------

#include "inc/tm4c123gh6pz.h"  //可以不加

#include <stdint.h>            //定义字符内型

#include <stdbool.h>       //0/1的定义

#include "inc/hw_types.h"    //一些位带操作的宏定义

#include "inc/hw_memmap.h"   //外设基地址的定义

#include "driverlib/sysctl.h" //系统时钟

#include "driverlib/gpio.h"    //gpio定义

/**********************************************/

/* 函数功能；简单的延迟函数                   */

/* 入口参数：无                               */

/**********************************************/

void delay()

{

int i,j;

  for(i=0;i<1000;i++)

  {

for(j=0;j<1000;j++);

}

}

/**********************************************/

/* 函数功能；主函数                           */

/* 入口参数：无                               */

/**********************************************/

int main(void)

{

SysCtlClockSet(SYSCTL_SYSDIV_1 | SYSCTL_USE_OSC | SYSCTL_XTAL_16MHZ |   SYSCTL_OSC_MAIN);                         //系统时钟设置

SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOC);       // 使能LED所在端口PC

GPIOPinTypeGPIOOutput(GPIO_PORTC_BASE, GPIO_PIN_7);

//配置PN.7为led灯输出

    while(1)

   {

GPIOPinWrite(GPIO_PORTC_BASE,GPIO_PIN_7,0);         //灭灯

delay();//延迟

GPIOPinWrite(GPIO_PORTC_BASE,GPIO_PIN_7,GPIO_PIN_7);//亮灯

   delay(); //延迟      

    }

}

下载成功后：led灯开始闪动。