Nibiru1 Dec 29 2020 at 15:21

STM32 абстрагируемся от регистров CMSIS при настройке GPIO

5 min

11K

Programming microcontrollers*Electronics for beginners

Как известно CMSIS предоставляет доступ к регистрам микроконтроллера. Это конечно хорошо, но не очень удобно. В данной статье речь пойдет о настройке GPIO. Порты ввода-вывода настраиваются довольно просто и если речь идет об одном - двух пинах, можно воспользоваться напрямую регистрами. Но если необходимо сконфигурировать несколько пинов, а тем более динамически менять конфигурацию ( это может потребоваться, например, для проверки подтянутости линий к плюсу при реализации работы с I2C, а потом для переключения на работу с аппаратным I2C ), то гораздо проще обернуть всю работу с регистрами в класс, и пользоваться методами типа setPin/resetPin.

Так как работает класс с GPIO я решил его так и назвать. В нем имеется конструктор GPIO( GPIO_TypeDef *port ), который принимает ссылку на порт. Так же в классе есть методы :

void pinConf ( uint8_t pin_nomber, uint8_t pin_mode ); // режим работы пина
void setPin( uint8_t pin_nomber ); // установить 1
void resetPin( uint8_t pin_nomber ); // сбросить пин
int getPin ( uint8_t pin_nomber ); // считываем состояние пина (reg. IDR)

Модуль класса состоит из двух файлов - gpio.h и gpio.cpp.

GPIO.H

#ifndef USER_LIB_GPIO_GPIO_H_
#define USER_LIB_GPIO_GPIO_H_

#include "stm32f103xb.h"

//---------------inputs-------------------------------------------------
#define INPUT_FLOATING 0x4 		// вход без подтяжки
#define INPUT_PULL_UP 0x7F 		// с подтяжкой к питанию
#define INPUT_PULL_DOWN 0xFF 	// с подтяжкой к "земле"
#define INPUT_ANALOG 0x0 			// аналоговый вход

//--------------outputs--------------------------------------------------
#define OUTPUT_OPEN_DRAIN 0x7 // выход открытый сток
#define OUTPUT_PUSH_PULL 0x3 	// выход тяни-толкай

//--------------altarnate function---------------------------------------
#define AF_PUSH_PULL 0xB 			// альтернативная ф-я с выходом тяни-толкай
#define AF_OPEN_DRAIN 0xF 		// альтернативная функция с открытым стоком

У выводов контроллера есть несколько режимов работы. Они задаются в регистрах GPIOx_CRL ( для выводов от 0 до 7 ) и GPIOx_CRH ( для выводов от 8 до 15 ). На каждый вывод в этих регистрах отводится по 4 бита, которые и задают режим работы. Чтобы не вспоминать каждый раз какие биты нужно прописать на каком месте для определенного режима, удобно переписать все возможные комбинации в макроопределения, что я и сделал. В последствии эти константы будут передаваться в методы для задания режима.

class GPIO {

	public:

	GPIO( GPIO_TypeDef *port );
	
	void pinConf ( uint8_t pin_nomber, uint8_t pin_mode ); // режим работы пина
	void setPin( uint8_t pin_nomber ); // установить 1 на пине
	void resetPin( uint8_t pin_nomber ); // сбросить пин
	int getPin ( uint8_t pin_nomber ); // считываем состояние пина (reg. IDR)

	private:

	GPIO_TypeDef *GPIOx;
	int pin_m;


};

#endif /* USER_LIB_GPIO_GPIO_H_ */

Далее по коду объявляем класс GPIO. Конструктор класса принимает ссылку на порт (GPIOA, GPIOB и т.д.) и сохраняет ее в приватной переменной GPIOx. Это нужно для того, чтобы при создании объекта и вызове его методов, методы знали с каким портом работать.

После конструктора следуют публичные методы класса, образующие интерфейс.

pinConf ( uint8_t pin_nomber, uint8_t pin_mode ) принимает номер вывода порта и режим работы, который задается макроопределениями в начале файла.
setPin( uint8_t pin_nomber ) устанавливает вывод в 1. Принимает номер пина порта.
resetPin( uint8_t pin_nomber ) сбрасывает вывод. Принимает номер вывода.
getPin ( uint8_t pin_nomber ) возвращает состояние вывода порта (читает регистр IDR)

GPIO.CPP

#define INPUT_PULL_UP_DOWN 0x8 // используется для обоих вариантов
#define GPIO_BITS_MASK 0xF // маска для стирания битов конфигурации

GPIO::GPIO(GPIO_TypeDef *port){

	this->GPIOx = port;
// тактируем порт от шины APB1
	if ( port == GPIOA){

			RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
			return;
	}

	if ( port == GPIOB ){

			RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
			return;
	}

	if ( port == GPIOC ){
			RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
			return;
	}

	if ( port == GPIOD ){
			RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPDEN;
			return;
	}

	if ( port == GPIOE ){
			RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPEEN;
			return;

	}

return;

}

В конструкторе класса сохраняется ссылка на порт и тактируется выбранный порт.

void GPIO::pinConf ( uint8_t pin_nomber, uint8_t pin_mode ){

	this->pin_m = pin_mode; // для методов set/reset Pin если используется альтернативная ф-я
	uint8_t offset; // смещение в регистре
	uint8_t mode; 

	// если вход с подтяжкой меняем pin_mode
	if ( ( pin_mode == INPUT_PULL_UP ) || ( pin_mode == INPUT_PULL_DOWN ) ){

		mode = INPUT_PULL_UP_DOWN;
	}//if

	if ( pin_nomber < 8 ){

		offset = pin_nomber * 4;
		this->GPIOx->CRL &= ~( GPIO_BITS_MASK << offset );
		this->GPIOx->CRL |= ( mode << offset );
	} // if
	else if ( pin_nomber > 7 ){

		offset = ( pin_nomber - 8 ) * 4;
		this->GPIOx->CRH &= ~( GPIO_BITS_MASK << offset );
		this->GPIOx->CRH |= ( mode << offset );

	} // else

	// если режим пулл-ап ставим бит пина в регистре ODR  в 1
	if ( pin_mode == INPUT_PULL_UP ){

		GPIOx->ODR |= ( 1 << pin_nomber );

	}

	/* доп. условие.  если режим задан INPUT_PULL_DOWN то сбрасываем бит пина в 0
	 * нужно для исключения ситуации, когда сначала назначили режим INPUT_PULL_UP
	 * а потом где-то в программе  переназначили режим INPUT_PULL_DOWN. В этом случае в
	 * регистре ODR останется 1 и пин все равно будет работать как INPUT_PULL_UP
	 */
	if ( pin_mode == INPUT_PULL_DOWN ){

		GPIOx->ODR &= ~( 1 << pin_nomber );

	}
return;
} //pinConf

В методе конфигурации сохраняем заданный режим в переменную pin_m. Это нужно для того, чтобы при использовании методов setPin()/resetPin() и заданном режиме альтернативной функции эти методы не управляли выводом, так как в данном случае управление должно осуществляться из модуля альтернативной функции.

Далее проверяем задан ли режим входа с подтяжкой. Если задан то меняем переменную pin_mode так как для обоих режимов входа с подтяжкой биты пина конфигурируются одинаково, а выбор подтяжки к питанию или земле осуществляется записью в регистр ODR 1 или 0.

В условии if ( pin_nomber < 8 ) и аналогичном if ( pin_nomber > 7 ) рассчитываем смещение относительно начала регистра CRL или CRH соответственно, учитывая, что на вывод отводится 4 бита, и кладем в переменную offset. Затем сначала затираем биты конфигурации маской GPIO BIT MASK, а затем записываем новые биты конфигурации вывода.

if ( pin_mode == INPUT_PULL_UP ) - проверяем, если задан режим подтяжки к питанию, то выставляем в регистре ODR единицу. Аналогично проверяем режим подтяжки к земле и скидываем бит, если условие верно.

void GPIO::setPin( uint8_t pin_nomber ){

	// если пин сконфигурирован как альтернативная ф-я ничего не делаем
	// т.к. управление пином должно быть из альтернативной ф-и
	if ( ( this->pin_m == AF_PUSH_PULL) || ( this->pin_m == AF_OPEN_DRAIN ) ){

		return;

	}// if

	this->GPIOx->BSRR = ( 1 << pin_nomber );
return;
}

В методе setPin() сначала проверяем не задана ли альтернативная функция. Если да, то выходим ничего не делая. Далее в регистре BSSR устанавливаем 1 на соответствующий вывод.

void GPIO::resetPin( uint8_t pin_nomber ){

	// если пин сконфигурирован как альтернативная ф-я ничего не делаем
	// т.к. управление пином должно быть из альтернативной ф-и
	if ( ( this->pin_m == AF_PUSH_PULL) || ( this->pin_m == AF_OPEN_DRAIN ) ){

		return;

	}// if

	this->GPIOx->BRR = ( 1 << pin_nomber );
return;
}

В методе resetPin() все аналогично предыдущему, за исключением того, что пишем в регистр BRR тем самым скидывая вывод.

int GPIO::getPin ( uint8_t pin_nomber ){

	uint16_t mask;
	mask = ( 1<< pin_nomber);

	if ( (this->GPIOx->IDR) & mask) return 1;

	else return 0;
}

В методе getPin() создаем маску для сравнения, сравниваем регистр IDR с маской. Если тру - возвращаем 1, иначе 0.

Применяется все это дело так :

GPIO *port = new GPIO( GPIOC ); // создаем экземпляр класса, передаем порт GPIOC
port->pinConf( 13, OUTPUT_PUSH_PULL ); //задаем режим выход пуш-пул
port->setPin (13); // установка вывода в 1
port->resetPin (13); // сброс вывода
int value;
value = port->getPin (13); // считываем состояние вывода

Вот собственно и все. Думаю в таком виде работать с портами ввода-вывода гораздо удобнее, чем напрямую с регистрами. Следует отметить, что данный класс осуществляет первичную конфигурацию портов ввода-вывода. Поэтому при работе с аппаратными интерфейсами или АЦП требуется конфигурация еще кучи регистров, обслуживающих эту периферию, но это следует делать в модуле конкретной периферии, наследовав данный класс для первичной конфигурации GPIO. Таким образом отделив яйца от плевел.

Tags:

Hubs: