第11章 GPIO输出—使用固件库点亮LED
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本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。
利用库建立好的工程模板，就可以方便地使用STM32标准库编写应用程序了，可以说从这一章我们才开始迈入STM32开发的大门。
LED灯的控制使用到GPIO外设的基本输出功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了，可重读前面"GPIO框图剖析"小节，STM32标准库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与"定义引脚模式的枚举类型"小节中讲解的相同。
11.1 硬件设计
本实验板连接了一个RGB彩灯及一个普通LED灯，RGB彩灯实际上由三盏分别为红色、绿色、蓝色的LED灯组成，通过控制RGB颜色强度的组合，可以混合出各种色彩。
图 111 LED硬件原理图
这些LED灯的阴极都是连接到STM32的GPIO引脚，只要我们控制GPIO引脚的电平输出状态，即可控制LED灯的亮灭。图中左上方，其中彩灯的阳极连接到的一个电路图符号"口口"，它表示引出排针，即此处本身断开，须通过跳线帽连接排针，把电源跟彩灯的阳极连起来，实验时需注意。
若您使用的实验板LED灯的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。
11.2 软件设计
这里只讲解核心部分的代码，有些变量的设置，头文件的包含等可能不会涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。
为了使工程更加有条理，我们把LED灯控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_led.c"及"bsp_led.h"文件，其中的"bsp"即Board Support Packet的缩写(板级支持包)，这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。
11.2.1 编程要点
1. 使能GPIO端口时钟；
2. 初始化GPIO目标引脚为推挽输出模式；
3. 编写简单测试程序，控制GPIO引脚输出高、低电平。
11.2.2 代码分析
1. LED灯引脚宏定义
在编写应用程序的过程中，要考虑更改硬件环境的情况，例如LED灯的控制引脚与当前的不一样，我们希望程序只需要做最小的修改即可在新的环境正常运行。这个时候一般把硬件相关的部分使用宏来封装，若更改了硬件环境，只修改这些硬件相关的宏即可，这些定义一般存储在头文件，即本例子中的"bsp_led.h"文件中，见代码清单 111。
代码清单 111 LED控制引脚相关的宏
1 //引脚定义
2 /*******************************************************/
3 //R 红色灯
4 #define LED1_PIN GPIO_Pin_10
5 #define LED1_GPIO_PORT GPIOH
6 #define LED1_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOH
7
8 //G 绿色灯
9 #define LED2_PIN GPIO_Pin_11
10 #define LED2_GPIO_PORT GPIOH
11 #define LED2_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOH
12
13 //B 蓝色灯
14 #define LED3_PIN GPIO_Pin_12
15 #define LED3_GPIO_PORT GPIOH
16 #define LED3_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOH
17
18 //小指示灯
19 #define LED4_PIN GPIO_Pin_11
20 #define LED4_GPIO_PORT GPIOD
21 #define LED4_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD
22 /************************************************************/
以上代码分别把控制四盏LED灯的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。在实际控制的时候我们就直接用这些宏，以达到应用代码硬件无关的效果。
其中的GPIO时钟宏"RCC_AHB1Periph_GPIOH"和"RCC_AHB1Periph_GPIOD"是STM32标准库定义的GPIO端口时钟相关的宏，它的作用与"GPIO_Pin_x"这类宏类似，是用于指示寄存器位的，方便库函数使用。它们分别指示GPIOH、GPIOD的时钟，下面初始化GPIO时钟的时候可以看到它的用法。
2. 控制LED灯亮灭状态的宏定义
为了方便控制LED灯，我们把LED灯常用的亮、灭及状态反转的控制也直接定义成宏，见代码清单 112。
代码清单 112 控制LED亮灭的宏
1
2 /* 直接操作寄存器的方法控制IO */
3 #define digitalHi(p,i) {p->BSRRL=i;} //设置为高电平
4 #define digitalLo(p,i) {p->BSRRH=i;} //输出低电平
5 #define digitalToggle(p,i) {p->ODR ^=i;} //输出反转状态
6
7
8 /* 定义控制IO的宏 */
9 #define LED1_TOGGLE digitalToggle(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
10 #define LED1_OFF digitalHi(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
11 #define LED1_ON digitalLo(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)
12
13 #define LED2_TOGGLE digitalToggle(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
14 #define LED2_OFF digitalHi(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
15 #define LED2_ON digitalLo(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)
16
17 #define LED3_TOGGLE digitalToggle(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
18 #define LED3_OFF digitalHi(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
19 #define LED3_ON digitalLo(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)
20
21 #define LED4_TOGGLE digitalToggle(LED4_GPIO_PORT,LED4_PIN)
22 #define LED4_OFF digitalHi(LED4_GPIO_PORT,LED4_PIN)
23 #define LED4_ON digitalLo(LED4_GPIO_PORT,LED4_PIN)
24
25
26 /* 基本混色，后面高级用法使用PWM可混出全彩颜色,且效果更好 */
27
28 //红
29 #define LED_RED
30 LED1_ON;
31 LED2_OFF;
32 LED3_OFF
33
34 //绿
35 #define LED_GREEN
36 LED1_OFF;
37 LED2_ON;
38 LED3_OFF
39
40 //蓝
41 #define LED_BLUE
42 LED1_OFF;
43 LED2_OFF;
44 LED3_ON
45
46
47 //黄(红+绿)
48 #define LED_YELLOW
49 LED1_ON;
50 LED2_ON;
51 LED3_OFF
这部分宏控制LED亮灭的操作是直接向BSRR寄存器写入控制指令来实现的，对BSRRL写1输出高电平，对BSRRH写1输出低电平，对ODR寄存器某位进行异或操作可反转位的状态。
RGB彩灯可以实现混色，如最后一段代码我们控制红灯和绿灯亮而蓝灯灭，可混出黄色效果。
代码中的""是C语言中的续行符语法，表示续行符的下一行与续行符所在的代码是同一行。代码中因为宏定义关键字"#define"只是对当前行有效，所以我们使用续行符来连接起来，以下的代码是等效的：
#define LED_YELLOW LED1_ON; LED2_ON; LED3_OFF
应用续行符的时候要注意，在""后面不能有任何字符(包括注释、空格)，只能直接回车。
3. LED GPIO初始化函数
利用上面的宏，编写LED灯的初始化函数，见代码清单 113。
代码清单 113 LED GPIO初始化函数
1 /**
2 * @brief 初始化控制LED的IO
3 * @param 无
4 * @retval 无
5 */
6 void LED_GPIO_Config(void)
7 {
8 /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
9 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
10
11 /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/
12 RCC_AHB1PeriphClockCmd ( LED1_GPIO_CLK|
13 LED2_GPIO_CLK|
14 LED3_GPIO_CLK|
15 LED4_GPIO_CLK,
16 ENABLE);
17
18 /*选择要控制的GPIO引脚*/
19 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_PIN;
20
21 /*设置引脚模式为输出模式*/
22 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
23
24 /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/
25 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
26
27 /*设置引脚为上拉模式*/
28 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
29
30 /*设置引脚速率为2MHz */
31 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
32
33 /*调用库函数，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/
34 GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
35
36 /*选择要控制的GPIO引脚*/
37 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED2_PIN;
38 GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
39
40 /*选择要控制的GPIO引脚*/
41 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED3_PIN;
42 GPIO_Init(LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
43
44 /*选择要控制的GPIO引脚*/
45 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED4_PIN;
46 GPIO_Init(LED4_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
47
48 /*关闭RGB灯*/
49 LED_RGBOFF;
50
51 /*指示灯默认开启*/
52 LED4(ON);
53 }
整个函数与"构建库函数雏形"章节中的类似，主要区别是硬件相关的部分使用宏来代替，初始化GPIO端口时钟时也采用了STM32库函数，函数执行流程如下：
(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。
(2) 调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能LED灯的GPIO端口时钟，在前面的章节中我们是直接向RCC寄存器赋值来使能时钟的，不如这样直观。该函数有两个输入参数，第一个参数用于指示要配置的时钟，如本例中的"RCC_AHB1Periph_GPIOH"和"RCC_AHB1Periph_GPIOD"，应用时我们使用"|"操作同时配置四个LED灯的时钟；函数的第二个参数用于设置状态，可输入"Disable"关闭或"Enable"使能时钟。
(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成推挽输出模式，其中的GPIO_Pin使用宏"LEDx_PIN"来赋值，使函数的实现方便移植。
(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用"LEDx_GPIO_PORT"宏来赋值，也是为了程序移植方便。
(5) 使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它LED灯使用的GPIO引脚。
(6) 使用宏控制RGB灯默认关闭，LED4指示灯默认开启。
4. 主函数
编写完LED灯的控制函数后，就可以在main函数中测试了，见代码清单 114。
代码清单 114 控制LED灯，main文件
1 #include "stm32f4xx.h"
2 #include "./led/bsp_led.h"
3
4 void Delay(__IO u32 nCount);
5
6 /**
7 * @brief 主函数
8 * @param 无
9 * @retval 无
10 */
11 int main(void)
12 {
13 /* LED 端口初始化 */
14 LED_GPIO_Config();
15
16 /* 控制LED灯 */
17 while (1) {
18 LED1( ON ); // 亮
19 Delay(0xFFFFFF);
20 LED1( OFF ); // 灭
21
22 LED2( ON ); // 亮
23 Delay(0xFFFFFF);
24 LED2( OFF ); // 灭
25
26 LED3( ON ); // 亮
27 Delay(0xFFFFFF);
28 LED3( OFF ); // 灭
29
30 LED4( ON ); // 亮
31 Delay(0xFFFFFF);
32 LED4( OFF ); // 灭
33
34 /*轮流显示红绿蓝黄紫青白颜色*/
35 LED_RED;
36 Delay(0xFFFFFF);
37
38 LED_GREEN;
39 Delay(0xFFFFFF);
40
41 LED_BLUE;
42 Delay(0xFFFFFF);
43
44 LED_YELLOW;
45 Delay(0xFFFFFF);
46
47 LED_PURPLE;
48 Delay(0xFFFFFF);
49
50 LED_CYAN;
51 Delay(0xFFFFFF);
52
53 LED_WHITE;
54 Delay(0xFFFFFF);
55
56 LED_RGBOFF;
57 Delay(0xFFFFFF);
58 }
59 }
60
61 void Delay(__IO uint32_t nCount) //简单的延时函数
62 {
63 for (; nCount != 0; nCount--);
64 }
在main函数中，调用我们前面定义的LED_GPIO_Config初始化好LED的控制引脚，然后直接调用各种控制LED灯亮灭的宏来实现LED灯的控制。
以上，就是一个使用STM32标准软件库开发应用的流程。
11.2.1 下载验证
把编译好的程序下载到开发板并复位，可看到RGB彩灯轮流显示不同的颜色。
11.3 STM32标准库补充知识
1. SystemInit函数去哪了？
在前几章我们自己建工程的时候需要定义一个SystemInit空函数，但是在这个用STM32标准库的工程却没有这样做，SystemInit函数去哪了呢？
这个函数在STM32标准库的"system_stm32f4xx.c"文件中定义了，而我们的工程已经包含该文件。标准库中的SystemInit函数把STM32芯片的系统时钟设置成了180MHz，即此时AHB1时钟频率为180MHz，APB2为90MHz，APB1为45MHz。当STM32芯片上电后，执行启动文件中的指令后，会调用该函数，设置系统时钟为以上状态。
2. 断言
细心对比过前几章我们自己定义的GPIO_Init函数与STM32标准库中同名函数的读者，会发现标准库中的函数内容多了一些乱七八糟的东西，见代码清单 115。
代码清单 115 GPIO_Init函数的断言部分
1 void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
2 {
3 uint32_t pinpos = 0x00, pos = 0x00 , currentpin = 0x00;
4
5 /* Check the parameters */
6 assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
7 assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));
8 assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));
9 assert_param(IS_GPIO_PUPD(GPIO_InitStruct->GPIO_PuPd));
10
11 /* ------- 以下内容省略，跟前面我们定义的函数内容相同----- */
基本上每个库函数的开头都会有这样类似的内容，这里的"assert_param"实际是一个宏，在库函数中它用于检查输入参数是否符合要求，若不符合要求则执行某个函数输出警告，"assert_param"的定义见代码清单 116。
代码清单 116 stm32f4xx_conf.h文件中关于断言的定义
1
2 #ifdef USE_FULL_ASSERT
3 /**
4 * @brief assert_param 宏用于函数的输入参数检查
5 * @param expr:若expr值为假，则调用assert_failed函数
6 * 报告文件名及错误行号
7 * 若expr值为真，则不执行操作
8 */
9 #define assert_param(expr)
10 ((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))
11 /* 错误输出函数 ------------------------------------------------------- */
12 void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);
13 #else
14 #define assert_param(expr) ((void)0)
15 #endif
这段代码的意思是，假如我们不定义"USE_FULL_ASSERT"宏，那么"assert_param"就是一个空的宏(#else与#endif之间的语句生效)，没有任何操作。从而所有库函数中的assert_param实际上都无意义，我们就当看不见好了。
假如我们定义了"USE_FULL_ASSERT"宏，那么"assert_param"就是一个有操作的语句(#if与#else之间的语句生效)，该宏对参数expr使用C语言中的问号表达式进行判断，若expr值为真，则无操作(void 0)，若表达式的值为假，则调用"assert_failed"函数，且该函数的输入参数为"__FILE__"及"__LINE__"，这两个参数分别代表"assert_param"宏被调用时所在的"文件名"及"行号"。
但库文件只对"assert_failed"写了函数声明，没有写函数定义，实际用时需要用户来定义，我们一般会用printf函数来输出这些信息，见代码清单 117。
代码清单 117 assert_failed 输出错误信息
1 void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
2 {
3 printf(" 输入参数错误，错误文件名=%s,行号=%s",file,line);
4 }
注意在我们的这个LED工程中，还不支持printf函数(在USART外设章节会讲解)，想测试assert_failed输出的读者，可以在这个函数中做点亮红色LED灯的操作，作为警告输出测试。
那么为什么函数输入参数不对的时候，assert_param宏中的expr参数值会是假呢？这要回到GPIO_Init函数，看它对assert_param宏的调用，它被调用时分别以"IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx)"、"IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin)"等作为输入参数，也就是说被调用时，expr实际上是一条针对输入参数的判断表达式。例如"IS_GPIO_PIN"的宏定义：
1 #define IS_GPIO_PIN(PIN) ((PIN) != (uint32_t)0x00)
若它的输入参数 PIN 值为0，则表达式的值为假，PIN非0时表达式的值为真。我们知道用于选择GPIO引脚号的宏"GPIO_Pin_x"的值至少有一个数据位为1，这样的输入参数才有意义，若GPIO_InitStruct->GPIO_Pin的值为0，输入参数就无效了。配合"IS_GPIO_PIN"这句表达式，"assert_param"就实现了检查输入参数的功能。对assert_param宏的其它调用方式类似，大家可以自己看库源码来研究一下。
3. Doxygen注释规范
在STM32标准库以及我们自己编写的"bsp_led.c"文件中，可以看到一些比较特别的注释，类似代码清单 118。
代码清单 118 Doxygen注释规范
1 /**
2 * @brief 初始化控制LED的IO
3 * @param 无
4 * @retval 无
5 */
这是一种名为"Doxygen"的注释规范，如果在工程文件中按照这种规范去注释，可以使用Doxygen软件自动根据注释生成帮助文档。我们所说非常重要的库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》，就是由该软件根据库文件的注释生成的。关于Doxygen注释规范本教程不作讲解，感兴趣的读者可自行搜索网络上的资料学习。
4. 防止头文件重复包含
在STM32标准库的所有头文件以及我们自己编写的"bsp_led.h"头文件中，可看到类似代码清单 119的宏定义。它的功能是防止头文件被重复包含，避免引起编译错误。
代码清单 119 防止头文件重复包含的宏
1 #ifndef __LED_H
2 #define __LED_H
3
4 /*此处省略头文件的具体内容*/
5
6 #endif /* end of __LED_H */
在头文件的开头，使用"#ifndef"关键字，判断标号"__LED_H"是否被定义，若没有被定义，则从"#ifndef"至"#endif"关键字之间的内容都有效，也就是说，这个头文件若被其它文件"#include"，它就会被包含到其该文件中了，且头文件中紧接着使用"#define"关键字定义上面判断的标号"__LED_H"。当这个头文件被同一个文件第二次"#include"包含的时候，由于有了第一次包含中的"#define __LED_H"定义，这时再判断"#ifndef __LED_H"，判断的结果就是假了，从"#ifndef"至"#endif"之间的内容都无效，从而防止了同一个头文件被包含多次，编译时就不会出现"redefine（重复定义）"的错误了。
一般来说，我们不会直接在C的源文件写两个"#include"来包含同一个头文件，但可能因为头文件内部的包含导致重复，这种代码主要是避免这样的问题。如"bsp_led.h"文件中使用了"#include "stm32f4xx.h" "语句，按习惯，可能我们写主程序的时候会在main文件写"#include "bsp_led.h" 及#include "stm32f4xx.h""，这个时候"stm32f4xx.h"文件就被包含两次了，如果没有这种机制，就会出错。
至于为什么要用两个下划线来定义"__LED_H"标号，其实这只是防止它与其它普通宏定义重复了，如我们用"GPIO_PIN_0"来代替这个判断标号，就会因为stm32f4xx.h已经定义了GPIO_PIN_0，结果导致"bsp_led.h"文件无效了，"bsp_led.h"文件一次都没被包含。
11.4 每课一练
1. 参考本章中的工程范例，使用STM32标准库编写控制LED灯的程序。
2. 修改"bsp_led.h"头文件中控制LED灯引脚的宏，改至实验板的其它GPIO引脚，然后使用电压表测量该引脚的电平状态。(注意测量引脚状态的时候，程序要控制GPIO输出恒定的电平，方便电压表检测。部分引脚可能已连接到板子上的其它芯片，可能存在干扰。)
3. 设置"stm32f4xx_conf.h"文件，使能"assert_param"断言功能，并定义"assert_failed"函数，当调用库函数参数错误时，该函数点亮LED红灯警告。