嵌入式技术基础与实践（第5版）
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4.2 GPIO模块的编程结构

为了实现快速入门，下面利用MCU的一个引脚控制一只发光二极管LED，如图4-2所示。为此，需要掌握配置引脚具体功能的可控制引脚高低电平输出的GPIO模块的基本用法。

4.2.1 端口与GPIO模块——对外引脚与内部寄存器

1. 100引脚LQFP封装MSR432P401R的GPIO引脚概述

MSR432P401R的大部分引脚具有多重复用功能，本节给出作为GPIO功能时的编程结构。100引脚封装的MSR432P401R芯片的GPIO引脚分为11个端口，标记为1～10和J，共84个引脚。端口作为GPIO引脚时，逻辑1对应高电平，逻辑0对应着低电平。GPIO模块使用系统时钟，从实时性细节来说，当作为通用输出时，高／低电平出现在时钟上升沿／下降沿。每个端口实际可用的引脚数因封装不同而有差异，下面给出各端口可作为GPIO功能的引脚数目及引脚名称。

（1）1口有8个引脚，分别记为P1.0～P1.7。

（2）2口有8个引脚，分别记为P2.0～P2.7。

（3）3口有8个引脚，分别记为P3.0～P3.7。

（4）4口有8个引脚，分别记为P4.0～P4.7。

（5）5口有8个引脚，分别记为P5.0～P5.7。

（6）6口有8个引脚，分别记为P6.0～P6.7。

（7）7口有8个引脚，分别记为P7.0～P7.7。

（8）8口有8个引脚，分别记为P8.0～P8.7。

（9）9口有8个引脚，分别记为P9.0～P9.7。

（10）10口有6个引脚，分别记为P10.0～P10.5。

（11）J口有6个引脚，分别记为PJ.0～PJ.5。

处理器使用零等待方式，以最高性能访问通用输入输出。GPIO支持8位、16位。在运行、等待、调试模式下，GPIO工作正常；在停止模式下，GPIO停止工作。

2. GPIO的寄存器地址分析

每个GPIO口均有12个寄存器，11个GPIO口共有132个寄存器。1～10和J各GPIO口寄存器的基地址分别为4000_4C00h、4000_4C01h、4000_4C20h、4000_4C21h、4000_4C40h、4000_4C41h、4000_4C60h、4000_4C61h、4000_4C80h、4000_4C81h，4000_4CA0，每两个端口具有相同基地址，如P1、P2基地址相同，PJ不与其他口共用基地址。如表4-1所示，各GPIO口的主要12个寄存器分别是数据输入寄存器（PxIN）、数据输出寄存器（PxOUT）、数据方向寄存器（PxDIR）、上下拉使能寄存器（PxREN）、驱动选择寄存器（PxDS）、复用选择寄存器（PxSEL0，PxSEL1）、功能同变化寄存器（PxSELC）、中断标志寄存器（PxIFG）、中断边沿选择寄存器（PxIES）、中断向量寄存器（PxIV）及中断使能寄存器（PxIE）。除中断向量寄存器为16位寄存器外，其他寄存器都是8位寄存器。基地址相邻的两个口，它们的GPIO寄存器相互交错地排列在一起。例如，P1和P2口的输入输出寄存器排列为P1IN、P2IN、P1OUT、P2OUT，其他寄存器也是如此交错排列。

表4-1 PT1寄存器

4.2.2 GPIO基本编程步骤与基本打通程序

1. GPIO基本编程步骤

要使芯片某一引脚为GPIO功能，并定义为输入／输出，随后进行应用，其基本编程步骤如下。

（1）通过GPIO模块的“复用选择寄存器”（SEL0和SEL1）设定其为GPIO功能（即令SEL0、SEL1对应的位清零）。

（2）若是输出引脚，则通过设置“数据输出寄存器”来指定相应引脚输出低电平或高电平，对应值为0或1。

（3）通过GPIO模块相应口的“数据方向寄存器”来指定相应引脚为输入或输出功能。若指定位为0，则为对应引脚输入；若指定位为1，则为对应引脚输出。

（4）若是输入引脚，则通过“数据输入寄存器”获得引脚的状态。若指定位为0，表示当前该引脚上为低电平；若指定位为1，则当前引脚上为高电平。

2. 理解GPIO基本编程步骤举例——基本打通程序

举例说明：设P2口的2引脚接一只发光二极管，高电平点亮。现在要点亮这只发光二极管，步骤如下。

1）计算数据方向寄存器P2DIR、数据输出寄存器P2OUT的地址

（1）从4.2.1节的端口控制模块可知，P2端口的基地址为0x40004C01u，其中，后缀u表示无符号数，给出不优化的32位指针变量gpio2_ptr：

    vuint_8 *gpio2_ptr＝(vuint_8 *)0x40004C01u;

（2）计算给出PT2的数据方向寄存器、输出寄存器、复用寄存器0和复用寄存器1的地址。

参考表4-1，PT2的数据方向寄存器地址=基地址＋偏移量，PT2的数据输出寄存器地址=基地址＋偏移量，PT2的复用寄存器0地址=基地址＋偏移量，PT2的复用寄存器1地址=基地址＋偏移量：

    vuint_8 *gpio2_PDIR＝(vuint_8*)(gpio2_ptr＋4);
    vuint_8 *gpio2_POUT＝(vuint_8*)(gpio2_ptr＋2);
    vuint_8 *gpio2_SEL0＝(vuint_8*)(gpio2_ptr＋10);
    vuint_8 *gpio2_SEL1＝(vuint_8*)(gpio_ptr＋12);

2）设置P2.2引脚为GPIO输出引脚并输出数据

（1）令功能复用寄存器的相应位令SEL0寄存器的第三位为0，SEL1寄存器的第三位为0，其他位保持：

    *gpio2_SEL0&=~(1<<2);
    *gpio2_SEL1&=~(1<<2);

（2）通过PT2的输出寄存器相应位赋0，使PT2|（2）引脚输出高电平：

    *gpio2_POUT&＝(1<<2);

（3）通过令PT2的方向寄存器相应位为1，定义PT2|（2）引脚为输出：

    *gpio2_ptr－>PDIR|＝(1<<2);

这样这只发光二极管就亮起来了。这种编程方法的样例在本书网上教学资源的“..\ch04-Light\MSP432-Light（Simple）\06_NosPrg\main.c”文件中可以看到，用记事本即可打开该文件查看。安装开发环境参考网上教学资源中<01-Document >文件夹下关于软件工具使用方法的说明，利用开发环境，编译该工程，将机器码下载到硬件评估系统中，可以执行该程序。特别值得注意的是，可以采用单步调试的方式观察执行情况，以便理解实际映像寄存器与硬件是如何关联对应的，这样就理解了软件是如何控制硬件的。

不论如何，学到这里，应该进行实验。通过实验，理解基本原理，学会软件、硬件工具的使用与基本调试方法。

需要进一步说明的是，这样编程只是为了理解GPIO的基本编程方法，实际并不使用。芯片那么多引脚，不可能这样编程，要把对底层硬件的操作用构件把它们封装起来，给出函数名与接口参数，供实际编程时使用。下节将阐述底层驱动构件的封装方法与基本规范。

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