--- title: General Purpose Input/Output (GPIO) categories: ARM, STM32, STM32F4, STM32F429, GPIO, Peripheral ... Introduction - 簡介 =================== **General Purpose Input/Output (GPIO)** a generic pin on an integrated circuit whose behavior, including whether it is an input or output pin, can be controlled by the user at run time. * GPIO 是種具有彈性且可以藉由軟體控制 (software-controlled) 的數位訊號 * 常見於開發版邊緣, 以針腳 (Pin) 的形式呈現 - 這些針腳即是開發版與外界溝通的重要橋樑 - 簡單例子, 想像成是開關, 使用者可以打開或關閉 (input), 或由開發版來打開或關閉 (output) * 每個 GPIO 可以被當成 input, output, analog 或 alternate function - alternate function 是指其他的的功能, 如 I2C, SPI, USART, CCP, PWM, Clock 等。如何控制則取決於外部設備 (peripheral) STM32F4xx GPIO特性 ===================================== * 所有 GPIO 具有容許較高的電流能力與四種速度選擇，根據不同設定管理雜訊、電耗與電磁波 * 最大 I/O 切換速度可以支援到 90 MHz * STM32F4xx 每個 GPIO Port 有 10 個 32-bit 暫存器 (Register) - Configuration Register: GPIOx_MODER, GPIOx_OTYPER, GPIOx_OSPEEDR 與 GPIOx_PUPDR - Data Register: GPIOx_IDR and GPIOx_ODR - Set/Reset Register: GPIOx_BSRR - Locking Register: GPIOx_LCKR 【防止因錯誤而改變GPIO的用途(accidental repurposing)】 - Alternate Function Selection Register: GPIOx_AFRH 與 GPIOx_AFRL 一個pin通常可被設定成input、output、alternate function或analog， (alternate function和analog只有在特定腳位) input會有兩種狀態(floating, pull-up/down)，output也有兩種狀態(push-pull, open drain with pull-up/down resistors)。 **input/output方向 : input是指記憶體方接收來自設備的訊號源，output是指記憶體傳送訊號給設備。** 各模式下的操作方式： - Input mode：我們可以利用GPIO的input data register(GPIOx_IDR) 或是memory中提供給目標設備的data register (當設成alternate function的時候)去接收data。 - Output mode(非analog)：GPIO提供output data register (GPIOx_ODR)及Bit set/reset register (GPIOx_BSRR)來對目標設備做控制 - Alternate function：此時要用memory中另外規劃給目標設備用的register對Pin腳進行控制。 - Analog mode：input和output會轉由adc/dac那邊做處理。 Functional Description - 功能敘述 ================================ input ------------------- - floating vs. pull-up/pull-down 當input pin被處在高阻抗的模式下，若沒有外部訊號源進來的話，此時是無法確定pin的狀態(不能確定現在處在高電位或低電位)，除非有外部訊號來驅動電路。換句話說，input floating，這個input電位狀態完全是由外部訊號來決定，沒有訊號驅動的話，就會呈現高阻抗狀態。 剛剛提到floating在沒有外部訊號驅動的情況下是呈現高阻抗狀態(無法確定電位狀態=>不能明確表示現在值是0或1)，如果我們需要這個pin有一個明確的預設狀態時，必須借助pull-up(pull-down)resistor來做調整，在pull-up resistor(pull-up外接高電壓，pull-down通常會接地)加入之下，讓pin的維持在明確的高電壓狀態(pull-down則是讓pin維持在低電壓狀態)。舉例來說，如果我們定電壓在3-4 V之間是1的狀態，0-1之間是0的狀態，高阻抗的時候，電壓是不明確的，有可能電壓值會落在1-3之間的不明確地帶，甚至是沒有在任何一個狀態維持一段時間，此時的狀態是未定的，但如果我們加入pull-up resistor的話，這個pin接受來自pull-up另一端的電壓供應，讓pin至少維持在3v以上時，我們就可以確定在沒有外部訊號驅動時，pin是維持在高電位狀態。 pull-up/pull-down電阻在大部分腳位上為40kΩ，在PA10/PB12上為10kΩ。至於其範圍，可以參考Datasheet p.110，Table 47. I/O static characteristics。 -------- - 施密特觸發器(Schmitt trigger) 將類比訊號的波形整成數位電路所能處理的方波波形，以利被input register讀取(處理完只能分辨出高低電位的差別)。 ![](/embedded/Schmitt_trigger.jpg) (施密特觸發器具有整流效果) output ------------------- - push-pull vs open-drain mode output處在push-pull模式下時，當output registers為"0"時輸出低電位，"1"時輸出高電位。而在open-drain模式下，"0"輸出低電位，"1"時為高阻抗(Z)狀態，電位無法確定。此兩種模式下，pin皆可pull-up/pull-down。 當有多個輸出pin在互相連通時(例如一個bus)，若有兩個輸出呈不同狀態，電路上的電位便無法確定。因此，除了正在輸出的pin以外，其他pin應在高阻抗態以免干擾。以bus的例子來說，若令所有pin皆在open-drain mode pull-up，並使非輸出端pin為"1"(Z)，當輸出pin為"1"時，bus為高電位(因為pull-up)；當輸出pin為"0"時，bus為低電位。 analog ------------------- 前面所述的input/output跟現在要談的類比模式是不一樣的類型，前者的資料型態主要是高低電位的數位型態(0/1的分別)，而類比訊號是普遍自然界的訊號型態，故當我們設定成類比輸入的模式時，進來GPIO pin的原始訊號源在還沒經過施密特觸發器(Schmitt trigger)會有另一個線路將訊號做導向(通常是要導到ADC去)，另一方面，當我們用了類比輸出模式後，GPIO的內部將會有一條線路接收DAC處理完的類比訊號，在經過此pin傳遞到外部去。 basic structure (P.266, **Figure 25. Basic structure of a five-volt tolerant I/O port bit** in Reference manual) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_basic_src.PNG) - VDD：晶片內部的工作電壓 - VDD_FT : I/O port專用電壓，與VDD不同 - VSS：接地點 - protection diode : 防止輸入電壓超過一定範圍。當電壓低於VSS時，電流通過protection diode流入pin；當電壓高於VDD_FT時，電流流出pin。 補充: TTL vs CMOS - TTL由電阻器和三極體而組成，CMOS內部零件多以金屬氧化物半導體組成。 - 就早期而言，TTL的速度較CMOS快，但功耗較高。但近年來CMOS在速度方面已經超越TTL。 - TTL懸空一般會呈高電位，CMOS則為不定態。 Configuration - 配置圖 ======================= Input configuration (P.273, **8.3.9 Input configuration** in Reference manual) ------------------------------------------------------------------------------ ![](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/gpio_input_configuration.png) When the I/O port is programmed as Input: - the output buffer is disabled - the Schmitt trigger input is activated - 這種模式處理的數位訊號只在意高低電位的差別(開關控制)。 - the pull-up and pull-down resistors are activated depending on the value in the GPIOx_PUPDR register - 想要讓pin的state變成一個確定的狀態，可以設定pull-up/pull-down的使用。 - The data present on the I/O pin are sampled into the input data register every AHB1 clock cycle - input data的更新主要就是以AHB1本身的更新週期做決定，每一個cycle抵達時，data register就會根據當時Schmitt trigger整流完的狀態做更新。 - A read access to the input data register provides the I/O State - 對data register的理解，我覺得用'狀態'比'數值'的敘述來的更好(大部分都是開關，就是外部訊號源是否有狀態改變，如 : button的按下與放開)，而此處寫I/O state的意思是，即使我們現在是設成output(如 : LED控制)，但我們仍然可用input data register來檢查LED現在的狀態。 Output configuration (P.274, **8.3.10 Output configuration** in Reference manual) --------------------------------------------------------------------------------- ![](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/gpio_output_configuration.png) When the I/O port is programmed as output: .. TODO: Output Control - The output buffer is enabled: - Open drain mode: A “0” in the Output register activates the N-MOS whereas a “1” in the Output register leaves the port in Hi-Z (the P-MOS is never activated) - Push-pull mode: A “0” in the Output register activates the N-MOS whereas a “1” in the Output register activates the P-MOS - 如前所述，設定Open drain / Push-pull的使用。 - The Schmitt trigger input is activated - The weak pull-up and pull-down resistors are activated or not depending on the value in the GPIOx_PUPDR register - The data present on the I/O pin are sampled into the input data register every AHB1 clock cycle - A read access to the input data register gets the I/O state - A read access to the output data register gets the last written value - 不一定與當下pin的狀態相同 Alternate function configuration (P.275, **8.3.11 Alternate function configuration** in Reference manual) --------------------------------------------------------------------------------------------------------- ![](/GPIO_Alternate_function_configuration.PNG) When the I/O port is programmed as alternate function: - The output buffer can be configured as open-drain or push-pull - The output buffer is driven by the signal coming from the peripheral (transmitter enable and data) - The Schmitt trigger input is activated - The weak pull-up and pull-down resistors are activated or not depending on the value in the GPIOx_PUPDR register - The data present on the I/O pin are sampled into the input data register every AHB1 clock cycle - A read access to the input data register gets the I/O state Remark： GPIOx_AFRL[31:0] and GPIOx_AFRH[31:0] provide ways to select alternation functions. However, different alternate functions maps to different bits of ports. For more information, please refer to **Table 12. Alternate function mapping** from P.73 in STM32F429xx Datasheet. Analog configuration (P.276, **8.3.12 Analog configuration** in Reference manual) --------------------------------------------------------------------------------- ![](/GPIO_Analog_configurations.PNG) When the I/O port is programmed as analog configuration: - The output buffer is disabled - The Schmitt trigger input is deactivated, providing zero consumption for every analog value of the I/O pin. The output of the Schmitt trigger is forced to a constant value (0). - The weak pull-up and pull-down resistors are disabled - Read access to the input data register gets the value “0” Note: In the analog configuration, the I/O pins cannot be 5 Volt tolerant. - analog operating voltage (VDDA) max at 3.6V [**Note2: Sampling jitter**](http://en.wikipedia.org/wiki/Jitter) In analog to digital and digital to analog conversion of signals, the sampling is normally assumed to be periodic with a fixed period—the time between every two samples is the same. If there is jitter present on the clock signal to the analog-to-digital converter or a digital-to-analog converter, the time between samples varies and instantaneous signal error arises. Registers - 暫存器 ================== Overview --------- - Mode, Speed, Type, PuPd 對應表 ![](/GPIO_img01) P.278, **GPIO port mode register (GPIOx_MODER)** in Reference manual -------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_port_mode.png) MODERy[1:0]決定第y pin GPIO使用的configuration，2個bit為一組 - 00: Input - 01: output mode - 10: Alternate function mode - 11: Analog mode - 當reset後，GPIOA_MODER=0xA800 0000、GPIOB_MODER=0x0000 0280，其他皆為0。 * PA3, PA4, PB13, PB14, PB15 為 Debug Pin in AF P.279, **GPIO port output type register(GPIOx_OTYPER)** in Reference manual --------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_port_output_type.png) 決定在output時使用的模式(如前面Functional Description.output所述)。 - 0: Output push-pull - 1: Output open-drain - reset皆為0x0000 0000 P.279, **GPIO port output speed register (GPIOx_OSPEEDR)** in Reference manual ------------------------------------------------------------------------------ ![](/embedded/GPIO_port_output_speed.png) OSPEEDRy[1:0]決定output的速度。在不同的電容與電壓(VDD)下，輸出頻率可能不同，以下只列出代表值。 - 00: Low speed (2MHz) - 01: Medium speed (10MHz) - 10: Fast speed (50MHz) - 11: High speed (100MHz) - reset GPIOB_OSPEEDR=0x0000 00C0，其他皆為皆為0x0000 0000 - 速度越高，雜訊與耗電量越多。 - 在其他狀態下的速度，可以參考 datasheet p134 table 58. I/O AC Characteristics * 雜訊的來源 - Thermal noise 在電阻性的材料中，由於熱擾動的影響，造成材料內電子或電 洞等電荷載體產生隨機的速度擾動，這種類似布朗運動 - Shot noise 散粒雜訊通常存在于真空管中或半導體內，這種電子由負極到正極經外部電路的隨機運動 當電壓超過一定的臨界值而電流流出呈現散亂的形狀 P.280, **GPIO port pull-up/pull-down register (GPIOx_PUPDR)** in Reference manual --------------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_port_pull.png) PUPDRy[1:0]決定pin y是否pull-up/pull-down - 00: No pull-up, pull-down - 01: Pull-up - 10: Pull-down - 11: Reserved - reset GPIOA_PUPDR=0x6400 0000、GPIOB_PUPDR=0x0000 0100，其他0x0000 0000。 P.280, **GPIO port input data register (GPIOx_IDR)** in Reference manual ------------------------------------------------------------------------ ![](/embedded/GPIO_port_input_data.png) 讀取IDRy為input y的值。 - Bits 31:16 Reserved, must be kept at reset value. - Bits 15:0 IDRy: Port y input data - register為read-only & word mode access only - Reset: 0x0000 XXXX (X=undefined) P.281, **GPIO port output data register (GPIOx_ODR)** in Reference manual ------------------------------------------------------------------------- ![](/GPIO_port_output_data.png) 輸出pin output的值。 - Bits 31:16 Reserved, must be kept at reset value. - Bits 15:0 ODRy: Port output data - Reset: 0x0000 0000 P.281, **GPIO port bit set/reset register (GPIOx_BSRR)** in Reference manual ---------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_port_set_reset.png) set或reset對應pin output data register的值。 - Bits 31:16 BRy: reset bit y - Bits 15:0 BSy: set bit y - 0: no action ,1:set/reset - write-only ,讀取會得到0 - Reset: 0x0000 0000 P.281, **GPIO port configuration lock register (GPIOx_LCKR)** in Reference manual --------------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_port_configuration_lock.png) 若給bit 16(LCKK)一個正確的write sequence，可以鎖住bits [15:0]對應的configurations。 當lock sequence正確執行之後，GPIOx_LCKR在下次reset之前無法修改。 - Bit 16 LCKK[16]: Lock key - 0: Port configuration lock key not active - 1: Port configuration lock key active - 只能在lock sequence時寫入 - Bits 15:0 LCKy: lock bit y - 0: Port configuration not locked - 1: Port configuration locked - Lock sequences pseudocode ```c WR LCKR[16] = ‘1’ + LCKR[15:0] WR LCKR[16] = ‘0’ + LCKR[15:0] WR LCKR[16] = ‘1’ + LCKR[15:0] RD LCKR RD LCKR[16] = ‘1’ (optional, confirm only) ``` - Lock sequences in c lib ( `STM32F4xx_StdPeriph_Driver/src/stm32f4xx_gpio.c` : `void GPIO_PinLockConfig()` ) ```c tmp |= GPIO_Pin; /* Set LCKK bit */ GPIOx->LCKR = tmp; /* Reset LCKK bit */ GPIOx->LCKR = GPIO_Pin; /* Set LCKK bit */ GPIOx->LCKR = tmp; /* Read LCKK bit*/ tmp = GPIOx->LCKR; /* Read LCKK bit*/ tmp = GPIOx->LCKR; ``` 在執行中，LCK[15:0]的值不可改變，否則lock失敗。 P.283, **GPIO alternate function low/high register(GPIOx_AFRL/GPIOx_AFRH)** in Reference manual ----------------------------------------------------------------------------------------------- ![](/embedded/GPIO_alternate_function_low.pn) ![](/embedded/GPIO_alternate_function_high.png) 選擇pin y的alternate function。 - AFRLy/AFRHy : Alternate function selection for bit y - AFRLy/AFRHy = 0000~1111 分別對應AF0~AF15 參考 Datasheet p.73~83 對照表，一個Pin可以對應一個alternate function Demo - 測試實驗 ============== 實驗設備 -------- * 除了STM32本身外，我們使用一台訊號產生器與一台示波器。 * 將訊號產生器輸出(+)接到示波器的channel 1(黃色)與 PG9，STM32的輸出PG13接示波器的channel 2(藍色) - demo3, demo4 * 訊號產生器的接地(-)接到STM32的GND與示波器channel 1/2的負極。 -------- * 90.9Hz ,方波 * 起始狀態，程式將 PG9 的輸入 GPIOA_IDR shift 後送到 GPIOG_ODR，由 PG13 輸出。 - demo3, demo4 ![](/embedded/starting_%20state.jpg) -------- * 90.9Hz ,sin波 ![](/embedded/schmitt_sin.jpg) -------- * 90.9Hz ,三角波 ![](/embedded/schmitt_tri.jpg) -------- * 87000HZ ,interrupt with function call * visible interrupt delay ,about 2000ns - demo4 使用 GPIO_ToggleBits 切換 ![](/embedded/interrupt_func_delay.jpg) -------- * 833000Hz ,interrupt with function call * 頻率再增加, 會造成無法正常的解析波形 ![](/embedded/interrupt_func_1M.jpg) -------- * polling with function call * 使用polling的結果，delay大約750ns - demo3 使用 GPIO_ToggleBits 切換 - 與 demo4 相比會波型會抖動 ![](/embedded/polling_func_delay.jpg) -------- * 88500Hz ,interrupt without function call * interrupt不用function call，delay大約1500ns - demo4 使用 GPIOG->ODR = GPIOA->IDR << 13; 切換 ![](/embedded/interrupt_dir_delay.jpg) -------- * polling without function call * 不用function call，delay大約250ns - demo3 使用 GPIOG->ODR = GPIOA->IDR << 13; 切換 ![](/embedded/pulling_dir_delay.jpg) -------- * 260000Hz ,interrupt without function call * 頻率加快的結果 - demo4 - 波型呈現連續都是高電位 ![](/embedded/interrupt_func_frqup.jpg) -------- * 1111000Hz ,interrupt without function call * 頻率再增加的結果 - demo4 - 波型開始呈現交錯, 主要是因為偵測時會有交錯 ![](/embedded/interrupt_func_frqup2.jpg) -------- * 一般的下拉電阻 ![](/embedded/pull_down_res.jpg) -------- * PA10 /PB12 的例外電阻 ![](/embedded/pull_down_resl.jpg) Code Section - 程式碼 --------------------- sample code download : ```bash git clone https://github.com/chunikuo/stm32F4_GPIO_Demo.git cd stm32F4_GPIO_demo/ ``` Demo 範例選擇 : * 共有 `demo1.c`, `demo2.c`, `demo3.c`, `demo4.c` * 請在 `main.c` 修改需要執行的 demo 範例 (同時間只能選擇其中一個範例) ```bash make make flash ``` 配置說明 : * STM32F429I-Discovery Library 的預先定義(in `STM32F429I-Discovery/stm32f429i_discovery.h`) : ```c #define LED4_PIN GPIO_Pin_13 #define LED4_GPIO_PORT GPIOG #define LED4_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOG #define LED3_PIN GPIO_Pin_14 #define LED3_GPIO_PORT GPIOG #define LED3_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOG #define USER_BUTTON_PIN GPIO_Pin_0 #define USER_BUTTON_GPIO_PORT GPIOA #define USER_BUTTON_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOA #define USER_BUTTON_EXTI_LINE EXTI_Line0 #define USER_BUTTON_EXTI_PORT_SOURCE EXTI_PortSourceGPIOA #define USER_BUTTON_EXTI_PIN_SOURCE EXTI_PinSource0 #define USER_BUTTON_EXTI_IRQn EXTI0_IRQn ``` * LED 配置 - Port: G - Pin: 13、14。 - CLK: RCC_AHB1Periph_GPIOG * Button 配置 - Port: A - Pin: 0 - CLK: RCC_AHB1Periph_GPIOA * 以上資訊也可以從架構圖, Pin Mapping 與開發版上的標示得知 初始化設定 : * RCC 參數設置, 根據需要使用到的 GPIO Port 與 Bus 來初始化對應的 CLK - 以下範例為初始化 GPIO Port: G; GPIO Bus: AHB1 * 此對應的 CLK 的相對名稱為 RCC_AHB1Periph_GPIOG ```c RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE); ``` * GPIO 參數設置, 設定 Pin, Mode, Type, Pull-Up/Pull-Down, Speed - 根據不同的 Mode, 設置不同對應的參數, 並非所有的資料都需要設置 - 以下範例為初始化 LED3 與 LED4, GPIO Port: G; Pins: 13, 14; Mode: Output; Type: Push-Pull; Pull-Up/Pull-Down: No Pull; Speed: 2MHz - 詳細參數名稱可參考 `STM32F4xx_StdPeriph_Driver/inc/stm32f4xx_gpio.h` ```c // GPIO Configuration // LED3 (Green): GPIO_Pin_13, LED4 (Red): GPIO_Pin_14 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure); ``` * Interrupt 參數設置 - 所有的 Port 都可以有 external interrupt - 使用 external interrupt 必須設置為 input * 以下範例設置 GPIO Port: A; Pin: 0 - 根據設置我們可以得知此 GPIO 對應的是 User Button - 詳細參數名稱可參考 `STM32F4xx_StdPeriph_Driver/inc/stm32f4xx_syscfg.h` ```c EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; /* Connect EXTI Line 0 to the button GPIO Pin */ SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0); /* Configure the EXTI line to generate an interrupt when the button is * pressed. The button pin is high when pressed, so it needs to trigger * when rising from low to high. */ EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0; EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling; EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE; EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); /* Enable and set Button EXTI Interrupt to the lowest priority */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x0F; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x0F; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); ``` * Interrupt Handler 設置 - 根據上述設定, 對應的 Interrupt Handler 為 EXTI0_IRQHandler * 可在對應的 Handler 實作 ```c void EXTI0_IRQHandler(void) { if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line0) != RESET) { // To do something in here /* Clear the EXTI line pending bit */ EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); } } ``` * Demo1 - 兩個 LED 燈交互閃爍 * 初始化 PG13 (GPIO Port: G; Pin: 13), PG14 為 Output - 可以使用 GPIO_ToggleBits (in `STM32F4xx_StdPeriph_Driver/inc/stm32f4xx_gpio.c`) * 此部份需要注意 delay 時間, 若設置太短則不易辨識 * 由於預設的 HCLK 速度則是 48Mhz - for(int i=0; i<1000000; i++)　總共是 10 cycle - 因此延遲時間約 0.27 秒 ```c void demo1() { RCC_Configuration_Demo1(); GPIO_Configuration_Demo1(); GPIO_ToggleBits(GPIOG, GPIO_Pin_14); while(1) { GPIO_ToggleBits(GPIOG, GPIO_Pin_13); GPIO_ToggleBits(GPIOG, GPIO_Pin_14); // Delay for(int i=0; i<1000000; i++); } } ``` * Demo2 - LED3 由 User Button 控制閃爍, LED4 持續閃爍 * 初始化 PG13 (GPIO Port: G; Pin: 13), PG14 為 Output * 初始化 external interrupt 為 PA0 ```c void EXTI0_IRQHandler(void) { if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line0) != RESET) { GPIO_ToggleBits(GPIOG, GPIO_Pin_13); EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); } } void demo2() { RCC_Configuration_Demo2(); GPIO_Configuration_Demo2(); Interrupts_Configuration_Demo2(); while(1) { GPIO_ToggleBits(GPIOG, GPIO_Pin_14); // Delay for(int i=0; i<1000000; i++); } } ``` * Demo3 - LED3 利用 Polling 方式來探測外部訊號改變閃爍 - 閃爍部份則直接將 IDR 配置到 ODR * 初始化 PG13 為 Output, PG9 為 Input ```c void demo3() { RCC_Configuration_Demo3(); GPIO_Configuration_Demo3(); while(1) { // GPIO read IDR and assign to ODR GPIOG->ODR = GPIOA->IDR << 13; } } ``` * Demo4 - LED3 利用 external interrupt 方式來探測外部訊號改變閃爍 - 閃爍部份則直接將 IDR 配置到 ODR * 初始化 PG13 為 Output, PG9 為 Input ```c void EXTI0_IRQHandler(void) { if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line1) != RESET) { GPIOG->ODR = GPIOG->IDR << 13; EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1); } } void demo4() { RCC_Configuration_Demo4(); GPIO_Configuration_Demo4(); Interrupts_Configuration_Demo4(); while(1); } ``` * Demo5: 量測 Interrupt Latency * 使用 __attribute__( (naked) ) 去除 function stacking - 有function stacking的延遲是560ns, 沒有的則是420ns， - 因此function stacking: 560ns - 420ns = 140ns ```c push {r7, lr} add r7, sp, #0 pop {r7, pc} ``` - 再扣掉Toggle的反應時間 - Latency: 420ns - 80ns = 340ns - 根據ARM Cortex-M4的文件，ISR stacking需12個cycle => 250ns - pre-stacking delay = 340-250 = 90ns ------- ![](/embedded/6.JPG) * interrupt latency = pre-stacking latency + 250ns + function stacking latency + toggle latency - 560ns ------- ![](/embedded/8.JPG) * interrupt latency without function stacking = pre-stacking latency + 250ns + toggle latency - 420ns ------- ![](/embedded/9.JPG) * Toggle latency = 80ns - 0->1 的時間 Supplement ========== - 一些有預設控制元件的腳位 - LD3：綠色，連接到PG13 - LD4：紅色，連接到PG14 - B1(USER)：連接到PA0 - B2(RESET)：連接到NRST，用於重置 Q & A ========= **1. Busy loop延遲的時間計算** ```c int i=1000000; while(i--); ``` 編譯結果：(略去只執行一次的mov) ```c 80002d4: 687b ldr r3, [r7, #4] 80002d6: 1e5a subs r2, r3, #1 80002d8: 607a str r2, [r7, #4] 80002da: 2b00 cmp r3, #0 80002dc: d1fa bne.n 80002d4 ldr : 2 subs : 1 str : 2 cmp : 1 ble.n: 1 or 1+P(pipeline refill) ``` 若沒有branch，總共是2+1+2+1+1 = 7 cycle， 若有branch則是 2+1+2+1+2 = 8 cycle，(pipeline refill需要1~3 cycle，因alignment和instruction width而不同) 執行1000000次，也就是約8M個cycle， 經過實測時間為0.16秒，換算指令的執行頻率 = HCLK速度: 48Mhz (clock的速率請看下一節) 指令執行時間：Cortex-M4 instructions [http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0439b/CHDDIGAC.html](http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0439b/CHDDIGAC.html) * 關於STR, LDR系列指令，有cache機制可以在鄰近存取時減少執行時間 * Neighboring load and store single instructions can pipeline their address and data phases. This enables these instructions to complete in a single execution cycle. -------- * System Clock與PLL ![](/embedded/stm32f429clock.png) Reference Manual p.222 PLL_CFGR (DM00031020.pdf) **CPU可以選擇HSE、HSI、PLL作為clock source，其中PLL是倍頻電路，可以HSE、HSI作為參考頻率做倍頻，配合除頻可以產生多種頻率組合。** PLL會在Stop Standby Modes時被停用，HSE(or PLL)失效時會將System Clock改成HSI，並產生NMI exception， 主PLL -> HCLK -> Core,AHB,DMA,Memory (p.150還有其他的PLL供其他裝置使用) 專案預設設定：8Mhz / 25 * 300 / 2=48Mhz (`system_stm32f4xx.c`) + PLL_M [預設25] [可調範圍2~63] + PLL_N [預設300] [可調範圍192~432] + PLL_P [預設2] [可調範圍2 4 6 8] + PLL_Q [預設7] <-- to USB Fref = HSE(8 Mhz) / PLL_M VCO = Fref * PLL_N ![](/embedded/Pll.png) ----------- **alternate function中的MCO1(PA8), MCO2(PC9)可以將clock輸出到腳位上，用示波器測量得到以下結果** --------------- - 8.065MHz, HSE ![](/embedded/HSE.JPG) ---------------- - 16.13MHz, HSI ![](/embedded/HSI.JPG) Reference ========= - [General Purpose Input/Output - Wikipedia, the free encyclopedia ](http://en.wikipedia.org/wiki/General_Purpose_Input/Output) - [STM32F429xx Datasheet](http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/DM00071990.pdf) - [STM32F42xxx Reference Manual](http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf) - [STM32F429xx I/O pin mapping](http://mikrocontroller.bplaced.net/wordpress/wp-content/uploads/2013/10/Pinbelegung_f429_v100.html) - [STM32F4-Discovery 中文使用手冊](/embedded/STM32-Discovery-Manual-Chinese.pdf) - [稀里糊塗學 STM32 第二講：源源不絕](/embedded/learn-stm32-part-2.pdf) - [給資工系的嵌入式電子學](https://embedded-note.hackpad.com/0KF0hrjt78j) - [舊GPIO PPT](/embedded/GPIO_v3.ppt)