Maple mini. STM32. Регистры GPIO - порты ввода/вывода. [Перевод мануала]

Рерих, Гималаи - почему бы и нет?

Самое первое что нужно изучить в любом микроконтроллере - это работа с портами ввода/вывода. Здесь будет перевод мануала (переводчик из меня так себе) главы 9.1.
Так будут помечаться мои мысли и дополнительные разъяснения.

 9.1 Описание функций GPIO.

Каждый из универсальных портов ввода/вывода (далее I/O) имеет:

• два 32 битных конфигурационных регистра (GPIOx_CRL, GPIOx_CRH),
• два 32 битных data регистра (GPIOx_IDR, GPIOx_ODR),
• 32 битный регистр сброса/установки (GPIOx_BSRR), 
• 16 битный регистр сброса (GPIOx_BRR),
• 32 битный регистр блокировки (GPIOx_LCKR).

Теперь немножно более подробно:

GPIOx_CRL, GPIOx_CRH - регистры конфигурации(управления) портов, настройка режима работы порта: вход/вывод и тд...

GPIOx_IDR     - регистр непосредственного чтения состояния линий порта. Регистр данных.

GPIOx_ODR   - регистр конфигурации порта в режиме вывод (выход).  Регистр данных.

GPIOx_BSRR  - регистр атомарного сброса/установки битов для GPIOx_ODR регистра.

GPIOx_BRR    - регистр атомарного сброса битов для GPIOx_ODR регистра. По сути точно                                          такой же регистр, только без возможности установки битов.

GPIOx_LCKR - регистр блокировки изменений конфигурации порта.

В зависимости от конкретных аппаратных характеристик порта, которые можно найти в даташите, каждый вывод порта может программно настраиваться в следующие режимы:

• Плавающий вход (Input floating) - вход без резисторов подтяжки. HiZ состояние. Сопротивление входа велико. Ловит любые помехи.
• Вход с подтяжкой на плюс (Input pull-up) - вход с внутренней подтяжкой на питание "+".
• Вход с подтяжкой на минус (Input pull-down) - вход с внутренней подтяжкой на землю "-".
• Аналоговый вход (Analog) - аналоговый вход с использованием АЦП.

• Выход с открытым стоком (Output open-drain) - при логическом 0 линия подтягивается через резистор к земле, при лог. 1 линия висит в воздухе, поэтому для него требуется самостоятельно подтянуть линию через резистор к питанию и добиться двухтактной работы вывода. Т.е. можно управлять нагрузкой с большим/меньшим напряжением, чем питание МК;  использовать для I2C и других аналогов.
• Двухтактный выход (Output push-pull) - при логическом 0 линия подтягивается через резистор к земле, при лог. 1 - к питанию "+".  Т.е. линия выдает либо "+", либо землю.

• Выход с открытым стоком альтернативной функции (Alternate function open-drain) - тоже самое что и просто выход с открытым стоком, только для альтернативных функций вывода.
• Двухтактный выход альтернативной функции (Alternate function push-pull) - тоже самое что и просто двухтактный выход, только для альтернативных функций вывода.

Каждый вывод порта может быть отдельно запрограммирован, однако регистры I/O порта  доступны только как 32 битные слова (16 битовый или байтовый доступ не доступен).
Это утверждение я понимаю следующим образом - чтобы изменить значение регистра придется подготовить и записать в него 32х битное слово за один раз.
Основное назначение GPIOx_BSRR и GPIOx_BRR регистров - это возможность для атомарного доступа чтения/изменения (чтения !? да-да в даташите так и написано) для любого GPIO регистра. Поэтому нет риска того, что может случиться IRQ (прерывание) между процессом чтения и изменения регистра.
Благодаря этим двум регистрам обеспечивается побитовое управление GPIO регистров, более подробно далее. Плюс существует защита от прерывания во время процесса чтения и изменения регистра.

Figure 13. Базовая структура стандартной линии I/O порта

Figure 14. Базовая структура 5 Вольтовой линии I/O порта

Существует две разновидности линии ввода/вывода: обычная - работающая с 3.3В и необычная, которая может работать с 5В. Подробности в даташите.

Table 20. Таблица конфигурации линии порта

Требуемый режим		CNF1	CNF0	MODE1	MODE0	PxODR регистр
В режиме выход	Двухтактный выход	0	0	01 10 11 см. табл. знач. битов MODE		0 или 1
	Выход с открытым стоком		1			0 или 1
В режиме альтернативный выход	Двухтактный выход	1	0			Все равно
	Выход с открытым стоком		1			Все равно
В режиме вход	Аналоговый вход	0	0	00		Все равно
	Плавающий вход		1			Все равно
	Вход с подтяжкой на минус	1	0			0
	Вход с подтяжкой на плюс					1

Table 21. Таблица значений битов MODE

MODE[1:0]	Смысл
00	Зарезервированно для режима вход
01	Максимальная выходная частота 10 МГц
10	Максимальная выходная частота 2 МГц
11	Максимальная выходная частота 50 МГц

9.1.1  Порты Ввода/Вывода Общего назначения.

В течении и сразу после reset'а, альтернативные функции портов не активны и все I/O порты находятся в Режиме Плавающего Входа (CNFx[1:0]=01b, MODEx[1:0]=00b).

JTAG пины настроены на вход PU/PD после reset'a.

         PA15: JTDI in PU

         PA14: JTCK in PD

         PA13: JTMS in PU

         PB4: NJTRST in PU

Их можно сконфигурировать как выход, с помощью соответсвующей записи в Регистр Конфигурации Порта в Режиме Выход (GPIOx_ODR). А значит их можно настроить как Двухтактный Выход или как Выход с Открытым Стоком (активируется только N-MOS

 при значении 0).

Регистр Непосредственного Чтения Состояния Линий Порта (GPIOx_IDR) перехватывает и отображает значения имеющиеся на I/O выводе с каждым APB2 тактом.

Все пины GPIO когда настроенны на вход имеют встроенные слабые подтяжки на питание и на землю, котороые можно активировать или отключить.

9.1.2 Атомарный сброс и установка бита.

Нет необходимости программно отключать прерывания, когда побитово изменяешь GPIOx_ODR регистр. Существует возможность изменить только один или несколько битов за один атомарный APB2 доступ записи. Этого можно достичь если запишешь 1 в Регистре Атомарного Сброса/Установки Битов (GPIOx_BSRR, или только сброс в GPIOx_BRR), в те выделенные биты которые хочешь изменить. Не выделенные биты (со значением 0) изменятся не будут.

9.1.3 Внешние линии прерывания/пробуждения.

Все порты имеют функцию внешнего прерывания. Для использования внешнего прерывания, линия должна быть настроена как вход. Для большей информации о внешних прерываниях смотри Section 10.2:External interrupt/event controller (EXTI) и Section 10.2.3: Wakeup event management.

9.1.4 Альтернативные функции

Чтобы использовать альтернативную функцию необходимо настроить Регистр Конфигурации Бита Порта.

• Для альтернативных функций использующих входной режим, порт необходимо настроить как вход (плавающий, с подтяжкой на питание или землю), а входная линия должна получать внешние сигналы.

Примечание: Так же возможно программно эмулировать сигналы на AFI входе (входе Альтернативной функции) настраивая GPIO контроллер. Для этого порт необходимо настроить как Выход Альтернативной Функции. И очевидно, что нельзя подавать внешние сигналы на этот порт т.к. он будет управляться программно с помощью GPIO контроллера.

• Для альтернативных функций использующих выходной режим, порт необходимо настроить как Выход Альтернативной Функции (двухтактный или с открытым стоком).
• Для двунапрвленных Альтернативных Функций, бит порта должен быть настроен как Выход Альтернативной Функции (двухтактный или с открытым стоком). В этом случае и входной драйвер настраивается как Плавающий Вход.

Если ты настриваешь бит порта как Выход Альтернативной Функции, это отключает его от Регистра Конфигурации Порта в Режиме выхода (GPIOx_ODR) и подключает его к выходному сигналу переферии чипа.

Если GPIO программно настроен на режим "Выход Альтернативной Функции", но переферия не активированна, то такой режим не определен.

9.1.7 Конфигурация входа

I/O вывод настроен на вход, тогда:

• Выходной буффер (ODR регистр) не используется;
• Входной триггер Шмидта включен;
• Можно подключить подтягивающие резисторы(на землю или питание) или настроить как Плавающий Вход;
• Данные на I/O выводах, отображаются в IDR регистре и обновляются с каждым тактом APB2;
• Доступ чтения регистра IDR возвращает состояние I/O выводов.

Figure 15. Конфигурация входа

VDD_FT - вход толерантный к 5В который немного отличается от VDD.

9.1.8 Конфигурация выхода

I/O вывод настроен на выход, тогда:

• Выходной Буфер (ODR регистр) настроен на следующие режимы:

           - Выход с открытым стоком - при логическом 0 (в ODR регистре) линия подтягивается               через резистор к земле (N-MOS состояние), при лог. 1 линия висит в воздухе (HiZ                       состояние). P-MOS состояние недоступно (можно самому подтянуть линию через                       резистор к питанию, об этом описано выше);

           - Двухтактный выход - при логическом 0 (в ODR регистре) линия подтягивается через                 резистор к земле(N-MOS состояние), при лог. 1 - к питанию "+" (P-MOS состояние).

• Входной Триггер Шмидта включен;
• Резисторы подтяжки отключены;
• Данные на I/O выводах отображаются в IDR регистре и обновляются с каждым тактом APB2;
• Доступ чтения регистра IDR возвращает состояние I/O выводов в режиме Открытого Стока;
• Доступ чтения регистра ODR возвращает последние записанные значения В Двухтактном режиме.

            

Figure 16. Конфигурация выхода

VDD_FT - вход толерантный к 5В который немного отличается от VDD.

На этом пока что все, в дальнейшем я буду дополнять этот пост.