GPIO STM32: порты ввода-вывода STM32F1 и STM32F4

Как устроен вывод

У каждого вывода есть выходной каскад, входной триггер Шмитта, две отключаемые подтяжки и защитные диоды. Схема одинакова у STM32F1 и STM32F4 (RM0008, рисунки 13–14; RM0090, рисунок 25), различаются только регистры, которые ей управляют.

• Выходной каскад — пара транзисторов P-MOS и N-MOS. В двухтактном режиме (push-pull) единица в регистре ODR открывает P-MOS и подтягивает вывод к VDD, ноль открывает N-MOS и прижимает его к земле. В режиме открытого стока P-MOS не включается никогда: ноль по-прежнему тянет линию вниз, а единица оставляет вывод в высокоимпедансном состоянии.
• Источник сигнала для каскада — либо регистр ODR, либо выход периферии (альтернативная функция): в режиме AF выходной регистр от вывода отключается.
• Входной триггер Шмитта работает во всех цифровых режимах, в том числе на выходе: состояние вывода попадает в регистр IDR на каждом такте шины — APB2 у STM32F1 и AHB1 у STM32F4. Поэтому по IDR можно проверить, что на самом деле происходит на линии с открытым стоком.
• Подтяжки вверх и вниз — резисторы 30–50 кОм, типовое значение 40 кОм (DS5319, таблица 36; DS8626, таблица 48). У STM32F407 исключение — PA10 и PB12, выводы ID интерфейсов USB OTG: 7–14 кОм.
• Аналоговый режим отключает и выходной каскад, и подтяжки, и триггер Шмитта. Вход триггера больше не болтается между порогами и не потребляет ток, а IDR в этом режиме читается как 0 (RM0008, 9.1.10; RM0090, 8.3.12).

Режимы и их коды

Таблица составлена по RM0008 (таблицы 20 и 21) и RM0090 (таблица 36). У STM32F1 поле MODE одновременно выбирает направление и скорость: 00 — вход, 01 — выход до 10 МГц, 10 — до 2 МГц, 11 — до 50 МГц. Подтяжка входа у F1 выбирается не отдельным битом, а битом ODR того же вывода: единица — вверх, ноль — вниз. В выходных режимах STM32F1 подтяжки выключены, а у STM32F4 их можно включить и для выхода — например, открытый сток с внутренней подтяжкой вверх.

У STM32F1 четыре бита на вывод — 32 бита на восемь выводов, поэтому регистров два: CRL для выводов 0–7 и CRH для 8–15. После сброса в обоих 0x4444 4444: CNF = 01 и MODE = 00, то есть все выводы — входы без подтяжки. У STM32F4 на вывод приходится по два бита в MODER, OSPEEDR и PUPDR и один бит в OTYPER. Поля всех регистров с кодами и значениями после сброса разобраны на страницах GPIO STM32F1 и GPIO STM32F4, там же — конструктор значения регистра.

Какой режим выбрать для периферии

У STM32F4 всё просто: вывод периферии переводится в режим альтернативной функции (MODER = 10), а номер функции записывается в AFRL или AFRH; вход АЦП и выход ЦАП — в аналоговый режим. У STM32F1 номера функции нет, и для входов периферии используется обычный режим входа. RM0008 (раздел 9.1.11) даёт настройки для каждого блока, основные из них:

Двунаправленные сигналы периферии — например, SDA шины I²C — настраиваются как выход альтернативной функции: входной триггер при этом продолжает работать и передаёт уровень линии в периферию (RM0008, 9.1.4).

Состояние после сброса и выводы отладчика

Во время сброса и сразу после него альтернативные функции выключены, а все выводы — входы без подтяжки. Исключение — выводы отладочного порта, которые сразу после сброса принадлежат отладчику и имеют подтяжки (RM0008, 9.1.1; RM0090, 8.3.1):

У STM32F4 это видно прямо в значениях регистров после сброса (RM0090, 8.4): GPIOA_MODER = 0xA800 0000 — PA13, PA14 и PA15 в режиме альтернативной функции, GPIOB_MODER = 0x0000 0280 — PB3 и PB4 тоже; GPIOA_PUPDR = 0x6400 0000 и GPIOB_PUPDR = 0x0000 0100 — подтяжки из таблицы выше; GPIOA_OSPEEDR = 0x0C00 0000 и GPIOB_OSPEEDR = 0x0000 00C0 — у PA13 и PB3 самая высокая скорость. Отсюда частая ошибка: запись GPIOA->MODER = значение целиком переводит PA13 и PA14 в другой режим, и отладчик теряет связь с микроконтроллером. Меняйте только поля нужных выводов.

У STM32F1 выводы JTAG освобождаются полем SWJ_CFG регистра AFIO_MAPR: 001 — без NJTRST, 010 — JTAG выключен, SWD работает (освобождаются PA15, PB3 и PB4), 100 — выключен и SWD (RM0008, 9.4.2 и 31.4.4). Перед записью в регистры AFIO нужно включить тактирование AFIO битом AFIOEN в RCC_APB2ENR, а биты SWJ_CFG только записываются — при чтении их значение не определено. AN4899 (раздел 6.6) добавляет: если вывод отладчика используется для другой цели, не прижимайте к нулю вывод с подтяжкой вверх и наоборот, пока подтяжка включена, — через неё потечёт лишний ток.

Ещё несколько выводов зависят от других блоков. PC14 и PC15 — это и выводы кварца 32,768 кГц OSC32_IN и OSC32_OUT: портами они работают, пока генератор LSE выключен (RM0008, 9.3.1; RM0090, 8.3.13). Выводы основного кварца у STM32F103 в корпусах на 36, 48 и 64 вывода можно превратить в PD0 и PD1 битом PD01_REMAP регистра AFIO_MAPR, но внешних прерываний на них не будет (RM0008, 9.3.2).

Чтение и запись: IDR, ODR, BSRR

• IDR — только чтение: младшие 16 бит показывают уровни выводов.
• ODR — выходные данные. Писать в него можно, но изменение одного бита — это чтение, изменение и запись. Если между чтением и записью произойдёт прерывание, которое меняет другой вывод того же порта, его изменение пропадёт.
• BSRR — атомарная установка и сброс. Единица в бите n (0–15) устанавливает бит n регистра ODR, единица в бите n + 16 сбрасывает его, нули ничего не делают. Это одна запись по шине: прерывание её не разорвёт, а остальные выводы порта не затрагиваются. Если в одной записи задать и установку, и сброс одного вывода, победит установка (RM0008, 9.2.5; RM0090, 8.3.5).
• BRR — только у STM32F1: 16-битный регистр сброса, единица в бите n сбрасывает вывод n. У STM32F4 для сброса пишут в старшую половину BSRR.

Есть и различие в доступе: регистры GPIO STM32F1 читаются и пишутся только 32-битными словами (RM0008, 9.1 и 9.2), а у STM32F4 допустимы слова, полуслова и байты (RM0090, 8.3).

Драйверы ST пишут в порты так же. HAL_GPIO_WritePin записывает в BSRR маску вывода или маску, сдвинутую на 16 бит. LL_GPIO_SetOutputPin пишет в BSRR, LL_GPIO_ResetOutputPin — в BRR у STM32F1 и в старшую половину BSRR у STM32F4. HAL_GPIO_TogglePin и LL_GPIO_TogglePin сначала читают ODR, а потом одной записью в BSRR сбрасывают выводы, которые были в единице, и устанавливают остальные: соседние выводы порта при этом не страдают, но если тот же вывод переключить из прерывания между чтением и записью, одно переключение потеряется.

Альтернативные функции и ремап

У STM32F4 перед каждым выводом стоит мультиплексор на 16 входов AF0–AF15, номер выбирается четырьмя битами в AFRL (выводы 0–7) или AFRH (8–15); в CMSIS это массив AFR[0] и AFR[1]. Одновременно к выводу подключена только одна функция, а одна и та же функция периферии обычно доступна на нескольких выводах. У STM32F405/407 номера распределены по блокам (RM0090, рисунок 26):

После сброса все выводы подключены к AF0. Какие именно сигналы стоят на конкретном выводе, указано в таблице альтернативных функций даташита и в атласе: например, у STM32F407VE вывод PA2 — это USART2_TX на AF7, TIM2_CH3 на AF1 и ETH_MDIO на AF11. У STM32F42x/43x распределение шире: на AF5 добавлены SPI4–SPI6, на AF6 — SAI1, на AF8 — UART7 и UART8, на AF9 и AF14 — контроллер дисплея LTDC (RM0090, рисунок 27).

У STM32F1 мультиплексора нет: периферия подключается к своим выводам, как только её включили, а вывод нужно перевести в нужный режим из таблицы выше. Если выводы по умолчанию заняты или неудобны, часть функций можно перенести на другие выводы — это называется ремап и задаётся битами регистров AFIO_MAPR и AFIO_MAPR2. Например, бит USART1_REMAP переносит USART1 с PA9 и PA10 на PB6 и PB7, а поле CAN_REMAP переносит CAN с PA11 и PA12 на PB8 и PB9 (RM0008, раздел 9.3). Варианты ремапа каждого вывода показаны на страницах атласа, например у STM32F103C8, а все биты — на странице регистров AFIO.

Скорость выходов

Скорость вывода — это крутизна фронтов выходного каскада, от которой зависит, при какой частоте и ёмкости нагрузки сигнал ещё успевает доходить до уровней. Частота, с которой программа может переключать порт, от неё не зависит. У STM32F1 скорость задаётся полем MODE (DS5319, таблица 38):

У STM32F4 — полем OSPEEDR, четыре ступени (DS8626, таблица 50; названия по RM0090, 8.4.3):

Частоты в обеих таблицах даны для скважности 45–55 % на указанной ёмкости. На скоростях High и Very high RM0090 (раздел 9.1) рекомендует включить ячейку компенсации выводов — бит CMP_PD регистра SYSCFG_CMPCR, готовность показывает флаг READY. Она подстраивает крутизну фронтов и снижает помехи по питанию, но работает только при питании 2,4–3,6 В.

Быстрые фронты дают большие импульсы тока, электромагнитные помехи и помехи по питанию при одновременном переключении многих выходов, поэтому ST советует выбирать самую медленную скорость, при которой сигнал успевает (AN4899, раздел 7.2). Ориентир даёт определение наибольшей частоты в DS5319 (рисунок 30): сумма фронта и спада должна быть не больше двух третей периода. Светодиоду, реле или сигналу разрешения хватит самой медленной ступени, а частота выше 1 МГц требует проверки по таблицам выше с учётом ёмкости линии. На потребление скорость не влияет: динамический ток вывода равен I = C_L · V_DD · f и зависит только от ёмкости нагрузки, напряжения и частоты переключения (AN4899, раздел 5.1.3). Например, выход тактовой частоты 8 МГц на нагрузку 20 пФ при 3,3 В потребляет 20 пФ · 3,3 В · 8 МГц ≈ 0,53 мА.

Токи и уровни

Значения — из таблиц 7, 36 и 37 DS5319 и таблиц 12, 48 и 49 DS8626. Ток 25 мА — предел, за которым микросхему можно повредить, а не рабочий режим: уровни на выходе даташит гарантирует только при 8 и 20 мА. При этом сумма токов всех выводов вместе с потреблением самого микроконтроллера не должна выйти за 150 или 240 мА, так что десяток выводов по 20 мА одновременно — уже перебор.

PC13, PC14 и PC15 (у STM32F407 ещё PI8) питаются через ключ домена резервного питания, который пропускает не больше 3 мА. Поэтому на них нельзя вешать нагрузку, питающуюся от вывода, — например, светодиод, включённый между выводом и землёй (примечание к таблице выводов DS5319 и к таблице 49 DS8626). На плате Blue Pill светодиод стоит на PC13 и включён на втекающий ток: он подключён к питанию и зажигается, когда вывод прижимает его к земле (STM32-base) — но и втекающий ток PC13 ограничен теми же 3 мА.

Для светодиода на обычном выводе ток удобно ограничить 8 мА: тогда даташит гарантирует уровни. Если прямое напряжение светодиода около 2 В, при питании 3,3 В резистор должен быть не меньше (3,3 − 2,0) В/8 мА ≈ 160 Ом — из ряда E24 подойдёт 180 Ом. Подробнее — в калькуляторе резистора для светодиода. Белому светодиоду с прямым напряжением около 3,5 В питания 3,3 В не хватит вовсе: для него AN4899 (раздел 5.3.1) предлагает открытый сток с питанием светодиода от 5 В или внешний транзистор.

Внутренние подтяжки и I²C

Внутренние подтяжки 30–50 кОм годятся для кнопок и чтобы задать уровень неиспользуемого входа, но для шины I²C они слишком слабы. Время нарастания фронта от 0,3 до 0,7 VDD равно 0,8473 · R · C (AN4899, раздел 5.1.5): при типовых 40 кОм и ёмкости линии 100 пФ это 3,4 мкс, а спецификация I²C UM10204 допускает 1000 нс в стандартном режиме 100 кГц и 300 нс на 400 кГц. Нужны внешние резисторы — расчёт в статье об интерфейсе I²C и в калькуляторе подтягивающих резисторов. DS5319 (раздел 5.3.16) отмечает ещё одну особенность: выводы I²C STM32F103 — не «настоящий» открытый сток. Транзистор P-MOS в этом режиме выключен, но физически присутствует.

Выводы, выдерживающие 5 В

В таблице выводов даташита у каждого вывода указан тип. FT (five-volt tolerant) — вывод, к которому можно подключить сигнал 5 В; у остальных выводов вход ограничен VDD + 0,3 В. У STM32F103 и STM32F407 рабочий диапазон входа FT — от −0,3 до 5,5 В при питании 2–3,6 В и до 5,2 В при питании 2 В и ниже (DS5319, таблица 9; DS8626, таблица 14). Абсолютный максимум — VDD + 4 В. Условий несколько:

• Подтяжки выключены. Чтобы держать на выводе больше VDD + 0,3 В, внутренние подтяжки вверх и вниз должны быть отключены (примечания к таблицам 9 и 36 DS5319, 14 и 48 DS8626): иначе ток пойдёт через резистор в шину питания.
• Нет аналоговой функции. В аналоговом режиме вывод не выдерживает 5 В (RM0090, 8.3.12), а пока к нему подключён вход АЦП, напряжение не должно превышать VDDA или VREF+ больше чем на 0,3 В (AN4899, раздел 5.2.2).
• Микроконтроллер запитан. Без питания, когда VDD = 0, на вывод FT нельзя подавать больше 3,6 В (AN4899, разделы 5.2.2 и 6.3). Если внешняя схема с питанием 5 В может включиться раньше STM32, ограничьте ток в вывод резистором или стабилитроном.
• Вход, а не двухтактный выход. AN4899 оговаривает, что 5 В допустимы на выводе в режиме входа. В той же заметке (раздел 5.3.3) STM32 работает на шине I²C с подтяжкой к 5 В: выводы I²C — с открытым стоком, транзистор P-MOS выключен, и к 5 В линию тянет внешний резистор.

Так STM32 с питанием 3,3 В напрямую работает с 5-вольтовыми устройствами: вход FT принимает их уровни, а высокий уровень выхода STM32 не ниже 2,4 В при токе 8 мА (таблица 37 DS5319, таблица 49 DS8626) и понятен любому входу с порогами ТТЛ — 0,8 и 2,0 В. У входа КМОП порог высокого уровня — около двух третей питания (AN4899, раздел 5.1.4), при 5 В это 3,3 В, а гарантированный высокий уровень STM32 при 8 мА — VDD − 0,4 = 2,9 В. Такому входу нужен открытый сток с подтяжкой к 5 В или преобразователь уровней.

Внешние прерывания

Любой вывод может вызвать прерывание через контроллер EXTI. Линий для выводов шестнадцать: линия n обслуживает вывод с номером n, а какой порт к ней подключён — A, B, C и так далее, — выбирается в регистрах AFIO_EXTICR у STM32F1 и SYSCFG_EXTICR у STM32F4. Отсюда ограничение: PA0 и PB0 не могут одновременно вызывать прерывания, а PA0 и PB1 — могут. Вывод при этом остаётся в режиме входа (RM0008, 9.1.3; RM0090, 8.3.8). Минимальная длительность импульса, который заметит EXTI, — 10 нс (DS5319, таблица 38; DS8626, таблица 50). Регистры описаны на страницах EXTI STM32F1 и STM32F4, а приоритеты прерываний считает калькулятор NVIC.

Блокировка настроек: LCKR

Регистр LCKR замораживает настройки выбранных выводов до следующего сброса: у STM32F1 — биты CRL и CRH, у STM32F4 — MODER, OTYPER, OSPEEDR, PUPDR, AFRL и AFRH (RM0090, 8.3.6). Данные — ODR и BSRR — продолжают работать. Блокировка защищает от ошибочного кода, который мог бы перенастроить, например, вывод управления силовым ключом. Она включается последовательностью записей в бит LCKK (бит 16) с одинаковой маской выводов в битах 0–15: запись 1, запись 0, запись 1, затем чтение — и необязательное второе чтение, которое покажет LCKK = 1, если блокировка сработала. Ошибка в последовательности её отменяет. Запись выполняется только целым словом.

/* Lock the configuration of PA2 and PA5 until the next reset */
uint32_t key = GPIO_LCKR_LCKK | GPIO_LCKR_LCK2 | GPIO_LCKR_LCK5;
GPIOA->LCKR = key;
GPIOA->LCKR = key & ~GPIO_LCKR_LCKK;
GPIOA->LCKR = key;
(void)GPIOA->LCKR;
if (GPIOA->LCKR & GPIO_LCKR_LCKK) {
    /* locked */
}

То же делает функция HAL_GPIO_LockPin.

Неиспользуемые выводы

Неподключённый вход в цифровом режиме ловит наводки, его триггер Шмитта переключается случайным образом и тратит ток. AN4899 (разделы 6.1 и 7.1) предлагает либо перевести такие выводы в аналоговый режим — у STM32F4 это MODER = 11, у STM32F1 — CNF = 00 и MODE = 00, — либо включить подтяжку, либо подключить вывод к земле на плате. Если устройство чувствительно к электростатике, надёжнее выход с низким уровнем. Выход с открытым стоком без нагрузки тоже лучше держать в нуле, а не в высокоимпедансном состоянии (раздел 6.4). Перед уходом в режимы пониженного потребления все линии нужно привести к определённым уровням — выходом или подтяжкой (раздел 7.4).

Примеры на CMSIS

Кнопка и светодиод на STM32F103. Светодиод на PC13 включён между питанием и выводом, кнопка на PA0 замыкает вывод на землю, поэтому у входа включена подтяжка вверх.

#include "stm32f1xx.h"

int main(void)
{
    /* Clock for ports A and C */
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_IOPCEN;

    /* PC13: general-purpose push-pull output, 2 MHz (MODE13 = 10, CNF13 = 00) */
    GPIOC->CRH = (GPIOC->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13)) | GPIO_CRH_MODE13_1;

    /* PA0: input with pull-up (MODE0 = 00, CNF0 = 10, ODR0 = 1 selects the pull-up) */
    GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~(GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0)) | GPIO_CRL_CNF0_1;
    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS0;

    for (;;) {
        if (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0)
            GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;   /* released: PC13 high, LED off */
        else
            GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;   /* pressed: PC13 low, LED on */
    }
}

Выход и альтернативная функция на STM32F407: PA5 — обычный выход, PA2 — передатчик USART2 на AF7.

#include "stm32f4xx.h"

void gpio_init(void)
{
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

    /* PA5: push-pull output, low speed, no pull (MODER5 = 01) */
    GPIOA->MODER = (GPIOA->MODER & ~GPIO_MODER_MODER5) | GPIO_MODER_MODER5_0;

    /* PA2: USART2_TX on AF7, push-pull, medium speed */
    GPIOA->MODER   = (GPIOA->MODER & ~GPIO_MODER_MODER2) | GPIO_MODER_MODER2_1;
    GPIOA->OSPEEDR = (GPIOA->OSPEEDR & ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED2) | GPIO_OSPEEDR_OSPEED2_0;
    GPIOA->AFR[0]  = (GPIOA->AFR[0] & ~GPIO_AFRL_AFSEL2) | (7U << GPIO_AFRL_AFSEL2_Pos);

    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS5;   /* PA5 high */
    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR5;   /* PA5 low */
}

Каждая запись меняет только поля своего вывода, поэтому выводы отладчика PA13 и PA14 остаются на месте. Без включённого тактирования порта его регистры не настроятся: у STM32F1 порты тактируются от шины APB2 (биты IOPxEN в RCC_APB2ENR), у STM32F4 — от AHB1 (биты GPIOxEN в RCC_AHB1ENR). В HAL то же делают функции HAL_GPIO_Init, HAL_GPIO_WritePin и HAL_GPIO_ReadPin, а скорость задаётся константами GPIO_SPEED_FREQ_LOW, MEDIUM, HIGH и у STM32F4 — VERY_HIGH. У STM32F1 они соответствуют режимам 2, 10 и 50 МГц, то есть кодам MODE 10, 01 и 11.

Частые ошибки

• Не включено тактирование порта — запись в регистры не действует, а вывод остаётся входом.
• Перезаписан регистр порта A целиком — выводы PA13 и PA14 теряют функцию SWD, отладчик не подключается. Восстановить связь обычно помогает подключение с удержанием сброса.
• Нагрузка на PC13–PC15 — больше 3 мА эти выводы не дают, и источником тока для светодиода служить не могут.
• Внутренняя подтяжка вместо внешней на I²C — фронты в несколько микросекунд, шина работает нестабильно или не работает вовсе.
• 5 В на вывод не FT, на вывод с включённой подтяжкой или на незапитанный микроконтроллер — ток через защитные диоды; предельный наведённый ток — 5 мА на вывод.
• Переключение одного вывода через ODR в основном цикле и в прерывании — изменения теряются; используйте BSRR.
• Вход АЦП не в аналоговом режиме — оба руководства требуют для входов АЦП и выходов ЦАП аналоговый режим (RM0008, 9.1.11; RM0090, 8.3.2).