В уроке узнаем структуру, функциональные возможности, электрические характеристики портов ввода-вывода общего назначения. Изучим регистры микроконтроллера для управления портами.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Кому-то кажется, что порты ввода-вывода очень простой элемент микроконтроллера. Выбрал для вывода режим - вход или выход, считал или установил его состояние.

Не пропускайте этот урок, прочитайте внимательно. По опыту уроков Ардуино знаю, что много вопросов возникает из-за незнания всего того, что я описываю в этой статье.

И про аппаратное устройство портов и их электрические характеристики я пишу не для того, чтобы набрать объем урока. Это очень важный вопрос. Знание его необходимо для подключения к микроконтроллеру различных электронных компонентов. Микроконтроллер сам по себе никогда не работает. К нему всегда что-то подключается.

 

Через порты ввода-вывода микроконтроллер управляет и связывается со всем, что к нему подключено. Есть еще коммуникационные интерфейсы, но о них в последующих уроках. Хотя интерфейсы также используют порты, только в режиме альтернативных функций.

В системе STM32 применяется общепринятое название портов ввода-вывода общего назначения, а именно GPIO (General purpose input-output).

Под “общим назначением” имеется в виду, что состояние выводов устанавливается или считывается программно, т.е. вывод не является входным или выходным сигналом какого-либо аппаратного узла микроконтроллера.

В системе STM32:

• Порты обозначаются GPIOA, GPIOB, GPIOC и т.д. На схеме микроконтроллера соответствующие портам выводы обозначаются PA0-PA15, PB0-PB15, PC0-PC15…
• Порты 16ти разрядные, т.е. у каждого порта 16 выводов.
• Режим и состояние каждого вывода могут быть установлены отдельно, независимо от других выводов.
• Каждый вывод может использоваться в режиме:
  • Input floating – вход без подтягивающего резистора, брошенный в воздухе вход.
  • Input pull-up – вход с подтягивающим резистором, подключенным к питанию микроконтроллера.
  • Input pull-down - вход с подтягивающим резистором, подключенным к общему проводу (земле).
  • Analog – аналоговый вход ( вход АЦП, компараторов и т.п.).
  • Output open-drain – выход с открытым стоком. Функционально аналогичен выходу с открытым коллектором. При низком логическом уровне замыкает вывод на землю, при высоком – бросает в воздухе.
  • Output push-pull – обычный активный выход. При низком логическом уровне напряжение на выводе равно 0, при высоком – напряжение близко к напряжению питания микроконтроллера, обычно + 3 В.
  • Alternate function push-pull – альтернативная функция вывода в обычном (активном) режиме.
  • Alternate function open-drain – альтернативная функция вывода в режиме открытый сток.
• Существует система защиты конфигурационных параметров порта. Для ее активизации необходимо выполнить определенную последовательность действий над регистрами конфигурации. Разблокировка происходит только после сброса.
• В нашем микроконтроллере STM32F103C8T6 существуют 37 портов ввода-вывода:
  • GPIOA – 16 выводов: PA0-PA15;
  • GPIOB – 16 выводов: PB0-PB15;
  • GPIOC – 3 вывода: PC13-PC15;
  • GPIOD – 2 выводов: PD0, PD1.

 

Порты STM32 с аппаратной точки зрения.

К портам ввода-вывода мы будем подключать реальные аппаратные устройства, узлы, схемы. Поэтому важно знать, как они устроены, их электрические характеристики.

В документации приводится базовая схема вывода порта.

Нас интересует  правая, выходная часть.

Режим входов.

При использовании вывода в качестве входа,  к нему могут быть подключены подтягивающие резисторы сопротивлением порядка 40 кОм. Либо к питанию Vdd, либо к земле Vss.

Основные для нас входные параметры портов.

Параметр	Значение
Напряжение низкого уровня	Не более  0,35 VDD При питании 3,3 В не более 1,16 В
Напряжение высокого уровня	Не менее 0,65 VDD При питании 3,3 В не менее 2,15 В
Ток утечки	± 1 мкА
Сопротивление подтягивающих резисторов	30 – 50 кОм, типовое значение 40 кОм
Емкость	5 пкФ

Обратите внимание, какая небольшая разница между входными напряжениями низкого и высокого уровня. За это я и не люблю 3-вольтовые контроллеры.

Согласно схеме к выводу подключены 2 защитных диода. Один на землю Vss, другой на шину питания Vdd. Первый замыкает через себя входное напряжение отрицательной полярности, другой ограничивает его на уровне Vdd, у нас на плате это 3,3 В.

Сигналы с напряжением, превышающим эти пределы должны подключаться через ограничительные резисторы. Входной ток не должен превышать ± 5 мА. Это предельный ток защитных диодов.

Еще надо помнить, что втекающий ток через защитные диоды поступает на источник питания платы. Если он превышает ток потребления платы, то напряжение питания микроконтроллера будет повышаться и может достигнуть недопустимого значения. Это обычная проблема в подобных схемах.

Но большая часть входов микроконтроллера допускает подачу напряжения 5 В. Это, так называемые, толерантные к 5 В входы. В схеме для таких выводов верхний защитный диод подключен не к питанию Vdd, а к ограничителю напряжения Vdd_ft.  Толерантные выводы обозначаются FT  (five volt tolerant). Напряжение ограничевается до уровня на 4 В выше Vdd. Сделано это для подключения сигналов с 5 В уровнями. На схеме распределения выводов STM32F103C8T6 толерантные к 5 В выводы отмечены закрашенными точками.

Предельно-допустимые входные параметры портов.

Параметр	Значение
Напряжение на толерантных входах	Не менее - 0,3 В, не более Vdd + 4 В При питании 3,3 В  - 0,3 … 7,3 В
Напряжение на остальных входах	Не менее - 0,3 В, не более 4 В
Максимальный втекающий ток через защитные диоды	± 5 мА

 

Режим выходов.

В режиме выхода порта работают 2 комплементарных  транзистора.

• В активном режиме они открываются по очереди, соединяя выход с шиной питания или землей.
• В режиме с открытым стоком работает только нижний транзистор, замыкая выход на землю при низком логическом уровне.

 

Выходные параметры портов.

Параметр	Значение
Напряжение низкого уровня при втекающем токе 8 мА	Не более 0,4 В
Напряжение низкого уровня при втекающем токе 20 мА	Не более 1,3 В
Напряжение высокого уровня при вытекающем токе 8 мА	Не менее Vdd – 0,4 В
Напряжение высокого уровня при вытекающем токе 20 мА	Не менее Vdd – 1,3 В

 

Предельно-допустимые выходные параметры портов.

Параметр	Значение
Максимальный вытекающий ток вывода	25 мА
Максимальный втекающий ток вывода	- 25 мА
Общий вытекающий или втекающий ток портов	Не более 150 мА.

Получается, что к каждому выводу порта можно подключать нагрузку до 25 мА. Но при этом уровень логического сигнала выйдет за допустимые значения логических уровней. Чтобы этого не произошло нельзя нагружать вывод током свыше 8 мА.

 

Программное управление портами STM32.

Для каждого порта (16 выводов) есть два 32х разрядных регистра конфигурации. Они образуют 64 битный регистр конфигурации порта.

Младший регистр конфигурации портов  GPIOx_CRL  (Port configuration register low)

Старший регистр конфигурации портов  GPIOx_CRH  (Port configuration register high)

На каждый вывод отводится 4 бита, которые делятся на 2 битные поля режима и конфигурации.

Поле режима определяет направление работы вывода – вход или выход. В случае выхода оно задает максимальную частоту передачи выходного сигнала. Очевидно, это влияет на энергопотребление микроконтроллера.

Поле режима (биты Mode).

Биты режима MODE  [1 : 0]	Режим
0 0	Вход
0 1	Выход, синхронизация 10 мГц
1 0	Выход, синхронизация 2 мГц
1 1	Выход, синхронизация 50 мГц

Поле режима дополняют биты конфигурации.

Конфигурация		Биты конфигурации CNF [1 : 0]	Биты режима MODE [1 : 0]	Бит в регистре вывода данных PxODR
Выход общего назначения	Активный выход	0 0	0 1 1 0 1 1	0 или 1
	Открытый сток	0 1		0 или 1
Выход альтернативной функции	Активный выход	1 0		-
	Открытый сток	1 1		-
Вход	Аналоговый вход	0 0	0 0	-
	Свободный вход	0 1		-
	Вход, подтяжка к земле	1 0		0
	Вход, подтяжка к питанию			1

 

Состояние регистров конфигурации можно защитить от непредусмотренных изменений. Для этого существует регистр блокировки конфигурации.

Регистр блокировки конфигурации порта GPIOx_LCKR  (Port configuration lock register)

Каждому выводу порта соответствует бит блокировки LCK0 – LCK15. При установке бита в 1 запрещается изменение соответствующих битов режима и конфигурации. После задания всех нужных битов регистра блокировки необходимо активизировать защиту. Для этого надо в 16й бит регистра блокировки (LCKK) последовательно записать 1, 0, 1. После этого блокировка будет действовать и изменение защищенных битов конфигурации и режима возможно  только после сброса микроконтроллера.

Проверить установлена ли защита конфигурации можно чтением этого же 16-го бита (LCKK). При активированной защите два подряд чтения бита должны дать результат 0, 1.

Доступ к портам происходит через регистры ввода и вывода данных.

Регистр ввода данных порта GPIOx_IDR (Port input data register)

Регистр вывода данных порта GPIOx_ODR (Port output data register)

Первый доступен только для чтения. Биты IDR0 – IDR15 содержат состояние соответствующих выводов порта.

Запись данных во второй регистр устанавливает состояние выводов порта (ODR0 – ODR15).

Если задан режим вывода – вход, то состояние соответствующего бита ODR0 – ODR15 определяет, куда подключен подтягивающий резистор, к шине питания или земле.

Для управления состоянием отдельных выводов можно воспользоваться регистрами битовой обработки.

Регистр установки/сброса битов GPIOx_BSRR (Port bit set/reset register)

Регистр установки/сброса битов разделен на 2 равные части(0-15 и 16-31). Первая предназначена для установки выводов в состояние 1, вторая – в состояние 0.

• Запись данного с 1 в битах BS0 – BS15 устанавливает соответствующие выводы в состояние высокого уровня.
• Запись данного с 1 в битах BR0 – BR15 переводит соответствующие выводы в состояние низкого уровня.

Таким образом, одним обращением к регистру можно установить или сбросить нужные выводы, не изменяя состояние остальных. Если производить эту операцию с помощью регистра вывода данных, то потребуется операции чтение, модификация и запись.

Регистр сброса битов GPIOx_BRR (Port bit reset register)

Это 16ти разрядный регистр, который работает точно так, как младшая половина предыдущего регистра установки/сброса.

Запись слова с  1 в битах BR0 – BR15 переводит соответствующие выводы в состояние низкого уровня.

 

Конфигурация портов с помощью STM32CubeMX.

Здесь все просто и понятно. Мы это уже делали.

Давайте настроим вывод PB12 на вход с подтягивающим резистором к шине питания, а PB13 на активный выход.

Закладка System Core -> GPIO.

Правой кнопкой мыши нажимаем на вывод PB12. Выбираем GPIO_Input.

Для вывода PB13 задаем режим GPIO_Output

В поле Configuration выбираем строку PB12 и задаем Pull-up  и имя вывода. Я написал Button.

 

Выбираем строку PB13 и задаем:

• высокий уровень при включении (High);
• активный выход (Output Push Pull);
• имя Led.

Я не буду описывать режимы, они очевидны.

Давайте настроим систему тактирования и вывод PC13, как в уроке 3, и создадим проект Lesson6_1.

Проект будем использовать в следующем уроке.

 

В нем научимся работать с портами через регистры библиотеки CMSIS.

 

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок