华大M0 系列单片机的端口电路结构简析

只看该作者 · 2022-4-30 16:29

端口结构介绍
　　无论使用MCU实现什么功能，只要是有意义的功能必然会涉及到IO口的操作。IO口的操作也是MCU的入门操作，按国际惯例一般上手MCU的第一个程序点灯程序就是通过IO口的输出来实现的。
华大M0+系列单片机的端口电路有两种结构，这两种电路结构大体相同，只是存在三个微小的差别。

HC32F（L）x3x、HC32F（L）x7x和HC32F（L）x9x系列芯片的端口电路是一种结构，为了便于说明我们称这种结构为结构一，

框图如下：

只看该作者 · 2022-4-30 16:33

　HC32F003、HC32F005和HC32L110芯片是一种结构，我们称这种结构为结构二，框图如下：

只看该作者 · 2022-4-30 16:33

只看该作者 · 2022-4-30 16:34

由上面两个构图我们可以很清楚地知道两种结构的区别如下：
　　1.结构一的PxOUT（寄存器中出现的x=A，B，C，D，E，F代表芯片含有的端口组，后面的亦是同样的意思）可以通过操作位寄存器（PxBSET、PxBCLR、PxBSETCLR）来直接控制某一位的输出，而不会影响这组寄存器中的其余的位，结构二没有相关的位操作。

只看该作者 · 2022-4-30 17:14

　2.结构一输出/输入数据寄存器（PxOUT/PxIN）支持AHB/FAST IO总线访问（通过寄存器 GPIO_CTRL2.ahb_sel 位控制），其他寄存器支持AHB总线访问。结构二端口输入值/输出值寄存器（PxIN/PxOUT）只支持 AHB 总线读写。

只看该作者 · 2022-4-30 17:15

对于这两种不同的总线，系统时钟（HCLK）对这两种总线的处理周期并不相同。下面两幅图为对于两种总线端口翻转的最快时序：

只看该作者 · 2022-4-30 17:16

　对于 AHB 总线，每两个 HCLK 周期，IO 翻转一次，而对于 FAST IO 总线，每个 HCLK周期，IO 翻转一次。

只看该作者 · 2022-4-30 17:17

3.结构二对应芯片的RST引脚可以复用成带有内部上拉电阻的数字输入引脚，结构一对应的芯片RST引脚不可以复用为IO引脚。
　　重点来了，说完两种结构的差**进入正题，说下两种结构和共性。
　　每个端口都可以配置成数字或模拟端口，并且可以实现内部上拉（pull up）/下拉（pull down）的输入，高阻输入（floating input），推挽输出（CMOS output），开漏输出（open drain output），两档驱动能力输出。
　　数字端口被配置成模拟端口后，数字功能被隔离，不能输出数字“1”和“0”，CPU 读取端口输入值寄存器的结果为“0”。
　　每个数字端口被配置为输入时，都可以提供外部中断，中断类型可以配置成高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发 4 种，查询 Px_STAT［n］的中断标志位即可知道相应的中断触发端口。另外，每个数字端口的中断都可以把芯片从睡眠模式/深度睡眠模式唤醒到工作模式。
　　芯片复位后端口为高阻输入（floating input），目的是防止芯片被异常复位时，对外部器件产生异常动作。
　　当端口配置为数字端口的时候可以通过设置Px_SEL寄存器接受各功能模块（如 SPI，UART，I2C，Timer 等）的输入输出信号，此内容放到相应外设模块内容来讲解。
　　端口相关配置介绍
　　端口相关配置如下：
　　数字端口（PxADS对应位为0）；
　　模拟端口（PxADS对应位为1）；
　　端口引脚为输入（PxDIR对应位为1）；
　　端口引脚为输出（PxDIR对应位为0）；
　　输入电平状态（PxIN 对应引脚获得高电平对应位为1，获得低电平对应位为0）；
　　输出电平选择（PxOUT 对应位为1相应引脚输出高电平，为0相应引脚输出低电平）；
　　内部上拉（PxPU对应位为1）；
　　内部下拉（PxPD对应位为1）；
　　高阻（PxPU对应位为0且PxPD对应位为0）；
　　推挽输出（PxOD对应位为0）；
　　开漏输出（PxOD对应位为1）；
　　低驱动能力输出（PxDR对应位为1）；
　　高驱动能力输出（PxDR对应位为0）；
　　端口高电平中断使能（PxHIE对应位为1）；
　　端口低电平中断使能（PxLIE对应位为1）；
　　端口上升沿中断使能（PxRIE对应位为1）；
　　端口下降沿中断使能（PxFIE对应位为1）；
　　对于结构一的芯片特有寄存器
　　端口置位（PxBSET对应位为1置位，为0保持）；
　　端口清零（PxBCLR对应位为1清零，为0保持）；
　　端口置位清零（PxBSETCLR （PxBSET对应位为1置位，为0保持;PxBCLR对应位为1清零，为0保持））。PxBSET 和 PxBCLR 相同位同时置 1 时，PxBCLR 具有高优先级。即该端口被清零。
　　端口配置操作流程
　　端口复用配置为模拟端口操作流程
　　a）设置寄存器 PxADS［n］为 1
　　端口复用配置为数字通用端口操作流程
　　a）设置寄存器 PxADS［n］为 0
　　b）设置寄存器 Px_SEL 为 0
　　c）设置寄存器 PxDIR［n］为 1：端口方向为输入，CPU 可以读取端口的状态 PxIN［n］。
　　d）设置寄存器 PxDIR［n］为 0：端口方向为输出
　　e）设置寄存器 PxOUT［n］为 1：端口输出高电平
　　f）设置寄存器 PxOUT［n］为 0：端口输出低电平
　　端口上拉使能配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxPU［n］为 1
　　端口下拉使能配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxPU［n］为 0
　　b）设置寄存器 PxPD［n］为 1
　　注：当 PxPU［n］，PxPD［n］同时置 1 时，PxPU［n］优先级高，PxPD［n］无效。
　　端口增强驱动配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxDR［n］为 0
　　端口开漏输出配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxOD［n］为 1
　　配置代码
　　无上下拉输入配置
　　stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;
　　Sysctrl_SetPeripheralGate（SysctrlPeripheralGpio， TRUE）; //打开GPIO外设时钟
　　stcGpioCfg.enDir = GpioDirIn; //端口方向配置-》输入
　　stcGpioCfg.enDrv = GpioDrvL; //驱动能力配置-》高驱动能力
　　stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable; //端口上下拉配置-》无
　　stcGpioCfg.enPd = GpioPdDisable;
　　stcGpioCfg.enOD = GpioOdDisable; //开漏输出配置-》开漏输出关闭
　　stcGpioCfg.enCtrlMode = GpioAHB; //总线控制模式配置-》AHB
　　Gpio_Init（STK_USER_PORT， STK_USER_PIN， &stcGpioCfg）; // GPIO IO USER KEY初始化
　　推挽输出配置
　　stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;
　　Sysctrl_SetPeripheralGate（SysctrlPeripheralGpio， TRUE）; //打开GPIO外设时钟
　　stcGpioCfg.enDir = GpioDirOut; //端口方向配置-》输出
　　stcGpioCfg.enDrv = GpioDrvL; //驱动能力配置-》高驱动能力
　　stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable; //端口上下拉配置-》无
　　stcGpioCfg.enPd = GpioPdDisable;
　　stcGpioCfg.enOD = GpioOdDisable; //开漏输出配置-》开漏输出关闭
　　stcGpioCfg.enCtrlMode = GpioAHB; //总线控制模式配置-》AHB
　　Gpio_Init（STK_LED_PORT， STK_LED_PIN， &stcGpioCfg）; // GPIO IO LED端口初始化
　　Gpio_ClrIO（STK_LED_PORT， STK_LED_PIN）; // LED关闭
　　常用的端口操作库函数
　　单端口操作
　　单个IO口输出低电平
　　原型 en_result_t Gpio_ClrIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 Gpio_ClrIO（GpioPortA ，GpioPin1 ）; //PA01端口输出低电平
　　单个IO口输出高电平
　　原型 en_result_t Gpio_SetIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 Gpio_SetIO（GpioPortA ，GpioPin1 ）; //PA01端口输出高电平
　　获得IO口输入值
　　原型 boolean_t Gpio_GetInputIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 u8PA1Stat = Gpio_GetInputIO（GpioPortA ，GpioPin1）; //u8PA1Stat 为PA1端口输入电平状态
　　获得IO口输出值
　　原型 boolean_t Gpio_ReadOutputIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 u8PA1Stat = Gpio_ReadOutputIO（GpioPortA ，GpioPin1）; //u8PA1Stat 为PA1端口输出电平状态
　　多端口操作
　　同时让一组端口中的多个引脚输出低电平
　　原型 en_result_t Gpio_ClrPort（en_gpio_port_t enPort， uint16_t u16ValMsk）
　　举例 Gpio_ClrPort（GpioPortA ， 0x000F）; //PA0~PA3输出低电平，其余保持
　　同时让一组端口中的多个引脚输出高电平
　　原型 en_result_t Gpio_SetPort（en_gpio_port_t enPort， uint16_t u16ValMsk）
　　举例 Gpio_SetPort（GpioPortA ， 0x000F）; //PA0~PA3输出高电平，其余保持
　　获取一组IO口的输入数据
　　原型 uint16_t Gpio_GetInputData（en_gpio_port_t enPort）
　　举例 u16PAInputData = Gpio_GetInputData（GpioPortA ）; //u16PAInputData的值为PA组输入数据
　　同时让一组端口输出多个高低电平
　　原型 en_result_t Gpio_SetClrPort（en_gpio_port_t enPort， uint32_t u32ValMsk）
　　举例 Gpio_SetClrPort（GpioPortA ， 0x00f0000f）; //PA4 ~ PA7输出高电平PA0 ~ PA3输出低电平
　　端口结构介绍
　　无论使用MCU实现什么功能，只要是有意义的功能必然会涉及到IO口的操作。IO口的操作也是MCU的入门操作，按国际惯例一般上手MCU的第一个程序点灯程序就是通过IO口的输出来实现的。

只看该作者 · 2022-4-30 17:18

华大M0+系列单片机的端口电路有两种结构，这两种电路结构大体相同，只是存在三个微小的差别。HC32F（L）x3x、HC32F（L）x7x和HC32F（L）x9x系列芯片的端口电路是一种结构，为了便于说明我们称这种结构为结构一，框图如下：

只看该作者 · 2022-4-30 17:21

HC32F003、HC32F005和HC32L110芯片是一种结构，我们称这种结构为结构二，框图如下：

只看该作者 · 2022-4-30 17:22

由上面两个构图我们可以很清楚地知道两种结构的区别如下：
　　1.结构一的PxOUT（寄存器中出现的x=A，B，C，D，E，F代表芯片含有的端口组，后面的亦是同样的意思）可以通过操作位寄存器（PxBSET、PxBCLR、PxBSETCLR）来直接控制某一位的输出，而不会影响这组寄存器中的其余的位，结构二没有相关的位操作。

只看该作者 · 2022-4-30 17:22

2.结构一输出/输入数据寄存器（PxOUT/PxIN）支持AHB/FAST IO总线访问（通过寄存器 GPIO_CTRL2.ahb_sel 位控制），其他寄存器支持AHB总线访问。结构二端口输入值/输出值寄存器（PxIN/PxOUT）只支持 AHB 总线读写。对于这两种不同的总线，系统时钟（HCLK）对这两种总线的处理周期并不相同。下面两幅图为对于两种总线端口翻转的最快时序：

只看该作者 · 2022-4-30 17:23

对于 AHB 总线，每两个 HCLK 周期，IO 翻转一次，而对于 FAST IO 总线，每个 HCLK周期，IO 翻转一次。
　　3.结构二对应芯片的RST引脚可以复用成带有内部上拉电阻的数字输入引脚，结构一对应的芯片RST引脚不可以复用为IO引脚。
　　重点来了，说完两种结构的差**进入正题，说下两种结构和共性。
　　每个端口都可以配置成数字或模拟端口，并且可以实现内部上拉（pull up）/下拉（pull down）的输入，高阻输入（floating input），推挽输出（CMOS output），开漏输出（open drain output），两档驱动能力输出。
　　数字端口被配置成模拟端口后，数字功能被隔离，不能输出数字“1”和“0”，CPU 读取端口输入值寄存器的结果为“0”。
　　每个数字端口被配置为输入时，都可以提供外部中断，中断类型可以配置成高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发 4 种，查询 Px_STAT［n］的中断标志位即可知道相应的中断触发端口。另外，每个数字端口的中断都可以把芯片从睡眠模式/深度睡眠模式唤醒到工作模式。
　　芯片复位后端口为高阻输入（floating input），目的是防止芯片被异常复位时，对外部器件产生异常动作。

只看该作者 · 2022-4-30 17:24

当端口配置为数字端口的时候可以通过设置Px_SEL寄存器接受各功能模块（如 SPI，UART，I2C，Timer 等）的输入输出信号，此内容放到相应外设模块内容来讲解。
　　端口相关配置介绍
　　端口相关配置如下：
　　数字端口（PxADS对应位为0）；
　　模拟端口（PxADS对应位为1）；
　　端口引脚为输入（PxDIR对应位为1）；
　　端口引脚为输出（PxDIR对应位为0）；
　　输入电平状态（PxIN 对应引脚获得高电平对应位为1，获得低电平对应位为0）；
　　输出电平选择（PxOUT 对应位为1相应引脚输出高电平，为0相应引脚输出低电平）；
　　内部上拉（PxPU对应位为1）；
　　内部下拉（PxPD对应位为1）；
　　高阻（PxPU对应位为0且PxPD对应位为0）；
　　推挽输出（PxOD对应位为0）；
　　开漏输出（PxOD对应位为1）；
　　低驱动能力输出（PxDR对应位为1）；
　　高驱动能力输出（PxDR对应位为0）；
　　端口高电平中断使能（PxHIE对应位为1）；
　　端口低电平中断使能（PxLIE对应位为1）；
　　端口上升沿中断使能（PxRIE对应位为1）；
　　端口下降沿中断使能（PxFIE对应位为1）；
　　对于结构一的芯片特有寄存器
　　端口置位（PxBSET对应位为1置位，为0保持）；
　　端口清零（PxBCLR对应位为1清零，为0保持）；
　　端口置位清零（PxBSETCLR （PxBSET对应位为1置位，为0保持;PxBCLR对应位为1清零，为0保持））。PxBSET 和 PxBCLR 相同位同时置 1 时，PxBCLR 具有高优先级。即该端口被清零。

只看该作者 · 2022-4-30 17:25

端口配置操作流程
　　端口复用配置为模拟端口操作流程
　　a）设置寄存器 PxADS［n］为 1
　　端口复用配置为数字通用端口操作流程
　　a）设置寄存器 PxADS［n］为 0
　　b）设置寄存器 Px_SEL 为 0
　　c）设置寄存器 PxDIR［n］为 1：端口方向为输入，CPU 可以读取端口的状态 PxIN［n］。
　　d）设置寄存器 PxDIR［n］为 0：端口方向为输出
　　e）设置寄存器 PxOUT［n］为 1：端口输出高电平
　　f）设置寄存器 PxOUT［n］为 0：端口输出低电平
　　端口上拉使能配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxPU［n］为 1
　　端口下拉使能配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxPU［n］为 0
　　b）设置寄存器 PxPD［n］为 1
　　注：当 PxPU［n］，PxPD［n］同时置 1 时，PxPU［n］优先级高，PxPD［n］无效。
　　端口增强驱动配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxDR［n］为 0
　　端口开漏输出配置操作流程
　　a）设置寄存器 PxOD［n］为 1

只看该作者 · 2022-4-30 17:39

配置代码
　　无上下拉输入配置
　　stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;
　　Sysctrl_SetPeripheralGate（SysctrlPeripheralGpio， TRUE）; //打开GPIO外设时钟
　　stcGpioCfg.enDir = GpioDirIn; //端口方向配置-》输入
　　stcGpioCfg.enDrv = GpioDrvL; //驱动能力配置-》高驱动能力
　　stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable; //端口上下拉配置-》无
　　stcGpioCfg.enPd = GpioPdDisable;
　　stcGpioCfg.enOD = GpioOdDisable; //开漏输出配置-》开漏输出关闭
　　stcGpioCfg.enCtrlMode = GpioAHB; //总线控制模式配置-》AHB
　　Gpio_Init（STK_USER_PORT， STK_USER_PIN， &stcGpioCfg）; // GPIO IO USER KEY初始化

只看该作者 · 2022-4-30 17:40

推挽输出配置
　　stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;
　　Sysctrl_SetPeripheralGate（SysctrlPeripheralGpio， TRUE）; //打开GPIO外设时钟
　　stcGpioCfg.enDir = GpioDirOut; //端口方向配置-》输出
　　stcGpioCfg.enDrv = GpioDrvL; //驱动能力配置-》高驱动能力
　　stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable; //端口上下拉配置-》无
　　stcGpioCfg.enPd = GpioPdDisable;
　　stcGpioCfg.enOD = GpioOdDisable; //开漏输出配置-》开漏输出关闭
　　stcGpioCfg.enCtrlMode = GpioAHB; //总线控制模式配置-》AHB
　　Gpio_Init（STK_LED_PORT， STK_LED_PIN， &stcGpioCfg）; // GPIO IO LED端口初始化
　　Gpio_ClrIO（STK_LED_PORT， STK_LED_PIN）; // LED关闭
　　常用的端口操作库函数
　　单端口操作
　　单个IO口输出低电平
　　原型 en_result_t Gpio_ClrIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 Gpio_ClrIO（GpioPortA ，GpioPin1 ）; //PA01端口输出低电平
　　单个IO口输出高电平
　　原型 en_result_t Gpio_SetIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 Gpio_SetIO（GpioPortA ，GpioPin1 ）; //PA01端口输出高电平
　　获得IO口输入值
　　原型 boolean_t Gpio_GetInputIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 u8PA1Stat = Gpio_GetInputIO（GpioPortA ，GpioPin1）; //u8PA1Stat 为PA1端口输入电平状态
　　获得IO口输出值
　　原型 boolean_t Gpio_ReadOutputIO（en_gpio_port_t enPort， en_gpio_pin_t enPin）
　　举例 u8PA1Stat = Gpio_ReadOutputIO（GpioPortA ，GpioPin1）; //u8PA1Stat 为PA1端口输出电平状态
　　多端口操作
　　同时让一组端口中的多个引脚输出低电平
　　原型 en_result_t Gpio_ClrPort（en_gpio_port_t enPort， uint16_t u16ValMsk）
　　举例 Gpio_ClrPort（GpioPortA ， 0x000F）; //PA0~PA3输出低电平，其余保持
　　同时让一组端口中的多个引脚输出高电平
　　原型 en_result_t Gpio_SetPort（en_gpio_port_t enPort， uint16_t u16ValMsk）
　　举例 Gpio_SetPort（GpioPortA ， 0x000F）; //PA0~PA3输出高电平，其余保持
　　获取一组IO口的输入数据
　　原型 uint16_t Gpio_GetInputData（en_gpio_port_t enPort）
　　举例 u16PAInputData = Gpio_GetInputData（GpioPortA ）; //u16PAInputData的值为PA组输入数据
　　同时让一组端口输出多个高低电平
　　原型 en_result_t Gpio_SetClrPort（en_gpio_port_t enPort， uint32_t u32ValMsk）
　　举例 Gpio_SetClrPort（GpioPortA ， 0x00f0000f）; //PA4 ~ PA7输出高电平PA0 ~ PA3输出低电平