簡單實用IO輸入輸出框架

在一個嵌入式系統中，可能存在許多輸入或輸出的IO口，輸入有霍爾傳感器、紅外對管等，輸出有LED、電源控制開關等。

如果說硬件可以一次成型，那么隨便一份代碼都可以完成IO的配置工作，但研發階段的產品，硬件各種修改是難免的，每一次 IO 的修改，對于底層開發人員來說，可能都是一次挑戰。

因為一旦有某一個 IO 配置錯誤，或者原來的配置沒有修改正確（比如一個 IO 在原來的硬件適配中是輸入，之后的硬件需要修改成輸出），那么你很難查出來這是什么問題，因為這個時候不僅硬件修改了，軟件也修改了，你需要先定位到底是軟件問題還是硬件問題，所以一個好用的 IO 的配置框架就顯得很有必要了。

有道友會說，不如使用 CubeMx 軟件進行開發吧。

1、這個軟件適用于 ST 單片機，以前還能用，現在，除非你家里有礦，不然誰用的起STM32？基本上都國產化了（雖然有些單片機號稱兼容，但到底還是有些差異的）。

2、公司原本的代碼就是使用標準庫，只是因為IO 的變化，你就需要把整個庫換掉嗎？時間上允許嗎？你確定修改后不會出現大問題？

3、國產化的芯片可沒有所謂的標準庫和HAL庫供你選擇，每一家都有各自的庫，如果你的產品臨時換方案怎么辦？

4、HAL 效率問題。

今天魚鷹介紹一個簡單實用的框架，可用于快速增加或修改IO配置，甚至修改底層庫。

假設有3個 LED 作為輸出、3 個霍爾傳感器作為輸入：

輸入配置代碼：

#define GPIOx_Def           GPIO_TypeDef*
#define GPIOMode_Def        GPIOMode_TypeDef
typedef struct
{
    GPIOx_Def       gpio; 
    uint16_t        msk;
    GPIOMode_Def    pull_up_down;     
} bsp_input_pin_def; 
#define  _GPIO_PIN_INPUT(id, pull, gpiox, pinx)   [id].gpio = (GPIOx_Def)gpiox, [id].msk = (1 << pinx), [id].pull_up_down = (GPIOMode_Def)pull
#define  GPIO_PIN_INPUT(id, pull, gpiox, pinx)    _GPIO_PIN_INPUT(id, pull, gpiox, pinx)
#define bsp_pin_get_port(gpiox)             ((uint16_t)((GPIO_TypeDef *)gpiox)->IDR)
#define bsp_pin_get_value(variable,id)      do{ bsp_pin_get_port(bsp_input_pin[id].gpio) & bsp_input_pin[id].msk ? variable |= (1 << id) : 0;} while(0)
#define BSP_GPIO_PUPD_NONE                                          GPIO_Mode_IN_FLOATING
#define BSP_GPIO_PUPD_PULLUP                                        GPIO_Mode_IPU
#define BSP_GPIO_PUPD_PULLDOWN                                      GPIO_Mode_IPD
typedef enum
{
    PIN_INPUT_HALL_0 = 0,  // 輸入 IO 定義
    PIN_INPUT_HALL_1,   
    PIN_INPUT_HALL_2,                    
    PIN_INPUT_MAX
}bsp_pin_input_id_def;
static const bsp_input_pin_def  bsp_input_pin [PIN_INPUT_MAX] = 
{
    GPIO_PIN_INPUT(PIN_INPUT_HALL_0,          BSP_GPIO_PUPD_NONE, GPIOA, 0),
    GPIO_PIN_INPUT(PIN_INPUT_HALL_1,          BSP_GPIO_PUPD_NONE, GPIOB, 8),    
    GPIO_PIN_INPUT(PIN_INPUT_HALL_2,          BSP_GPIO_PUPD_NONE, GPIOE, 9),   
};
// 單個 IO 初始化函數  
void bsp_pin_init_input(GPIOx_Def gpiox, uint32_t msk, GPIOMode_TypeDef pull_up_down)
{
    uint32_t temp;
    assert_param((msk & 0xffff0000) == 0 && gpiox != 0);
    temp = ((uint32_t) gpiox - (uint32_t) GPIOA) / ( (uint32_t) GPIOB - (uint32_t) GPIOA);
    /* enable the led clock */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA << temp, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = (GPIOMode_Def)pull_up_down;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = msk;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init((GPIO_TypeDef*)gpiox, &GPIO_InitStruct);
}
// 所有 IO 初始化
void gpio_input_init()
{    
    bsp_input_pin_def  *info;
    info = (bsp_input_pin_def *)&bsp_input_pin;
    for(int i = 0; i < sizeof(bsp_input_pin)/sizeof(bsp_input_pin[0]); i++)
    {
        bsp_pin_init_input(info->gpio, info->msk, info->pull_up_down);
        info++;
    }   
}
// 最多支持 32 個 IO 輸入
uint32_t bsp_input_all(void)
{
    uint32_t temp = 0;
    bsp_pin_get_value(temp, PIN_INPUT_HALL_0);
    bsp_pin_get_value(temp, PIN_INPUT_HALL_1);
    bsp_pin_get_value(temp, PIN_INPUT_HALL_2);
    return temp;
}
// 讀取單個 IO 狀態
uint32_t bsp_input_level(bsp_pin_input_id_def id)
{
    return (bsp_pin_get_port(bsp_input_pin[id].gpio) & bsp_input_pin[id].msk) ? 1 : 0;
}
typedef enum
{
    HW_HAL_LEVEL_ACTIVE = 0, // 可直接修改為 0 或 1，另一個枚舉值自動修改為相反值
    HW_HAL_LEVEL_NO_ACTIVE = !HW_HAL_LEVEL_ACTIVE,
}hw_input_hal_status_def;
typedef struct  
{
    hw_input_hal_status_def hal_level0; 
    uint8_t                 hal_level1;
    uint8_t                 hal_level2;
}bsp_input_status_def;
bsp_input_status_def bsp_input_status;
int main(void)
{  
    USRAT_Init(9600);//必須，進入調試模式后點擊全速運行
    gpio_input_init();
    while(1)
    {
        uint32_t temp = bsp_input_all();
        bsp_input_status.hal_level0 = (hw_input_hal_status_def)((temp >> PIN_INPUT_HALL_0) & 1);
        bsp_input_status.hal_level1 = ((temp >> PIN_INPUT_HALL_1) & 1);
        bsp_input_status.hal_level2 = ((temp >> PIN_INPUT_HALL_2) & 1);
    }                      
}
調試的時候，我們可以很方便的查看每個 IO 的狀態是怎樣的，而不用管 0 或 1 到底代表什么意思：
圖片
輸出配置代碼：
#define GPIOx_Def           GPIO_TypeDef*
#define GPIOMode_Def        GPIOMode_TypeDef
typedef struct
{
    GPIOx_Def  gpio; 
    uint32_t   msk; 
    uint32_t   init_value; 
} bsp_output_pin_def; 
#define  _GPIO_PIN_OUT(id, gpiox, pinx, init)                        [id].gpio = gpiox, [id].msk = (1 << pinx), [id].init_value = init
#define  GPIO_PIN_OUT(id, gpiox, pinx, init)                         _GPIO_PIN_OUT(id, gpiox, pinx, init)
#define _bsp_pin_output_set(gpiox, pin)                              (gpiox)->BSRR = pin
#define bsp_pin_output_set(gpiox, pin)                               _bsp_pin_output_set(gpiox, pin)
#define _bsp_pin_output_clr(gpiox, pin)                              (gpiox)->BRR = pin
#define bsp_pin_output_clr(gpiox, pin)                               _bsp_pin_output_clr(gpiox, pin)
typedef enum
{
    PIN_OUTPUT_LED_G,
    PIN_OUTPUT_LED_R,  
    PIN_OUTPUT_LED_B,
    PIN_OUTPUT_MAX
}bsp_pin_output_id_def;
static const bsp_output_pin_def  bsp_output_pin [PIN_OUTPUT_MAX] = 
{
    GPIO_PIN_OUT(PIN_OUTPUT_LED_G,          GPIOA,  0, 0),
    GPIO_PIN_OUT(PIN_OUTPUT_LED_R,          GPIOF, 15, 0),
    GPIO_PIN_OUT(PIN_OUTPUT_LED_B,          GPIOD, 10, 0),
};
void bsp_pin_init_output(GPIOx_Def gpiox, uint32_t msk, uint32_t init)
{
    uint32_t temp;
    assert_param((msk & 0xffff0000) == 0 && gpiox != 0);
    temp = ((uint32_t) gpiox - (uint32_t) GPIOA) / ( (uint32_t) GPIOB - (uint32_t) GPIOA);
    /* enable the led clock */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA << temp, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = (GPIOMode_Def)GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = msk;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init((GPIO_TypeDef*)gpiox, &GPIO_InitStruct);
    if(init == 0)
    {
        bsp_pin_output_clr(gpiox, msk);
    }
    else
    {
        bsp_pin_output_set(gpiox, msk);
    }
}
void bsp_output_init()
{
    bsp_output_pin_def  *info;
    info = (bsp_output_pin_def *)&bsp_output_pin;
    for(int i = 0; i < sizeof(bsp_output_pin)/sizeof(bsp_output_pin[0]); i++)
    {
        bsp_pin_init_output(info->gpio, info->msk, info->init_value);
        info++;
    }
}
void bsp_output(bsp_pin_output_id_def id, uint32_t value)
{
    assert_param(id < PIN_OUTPUT_MAX);
    if(value == 0)
    {
        bsp_pin_output_clr(bsp_output_pin[id].gpio, bsp_output_pin[id].msk);
    }
    else
    {
        bsp_pin_output_set(bsp_output_pin[id].gpio, bsp_output_pin[id].msk);
    }
}
int main(void)
{  
    USRAT_Init(9600);//必須，進入調試模式后點擊全速運行
    bsp_output_init();
    while(1)
    {
        bsp_output(PIN_OUTPUT_LED_G, 1);
        bsp_output(PIN_OUTPUT_LED_B, 0);
        bsp_output(PIN_OUTPUT_LED_R, 1);
    }                      
}

這個框架有啥好處呢？

1、自動完成 GPIO 的時鐘初始化工作，也就是說你只需要修改引腳即可，不必關心時鐘配置，但對于特殊引腳（比如PB3），還是得另外配置才行。

2、應用和底層具體 IO 分離，這樣一旦修改了 IO，應用代碼不需要進行任何修改。

3、增加或刪減 IO 變得很簡單，增加 IO時，首先加入對應枚舉，然后就可以添加對應的 IO 了。刪除 IO時，只要屏蔽對應枚舉值和引腳即可。

4、參數檢查功能， IO 刪除時，因為屏蔽了對應的枚舉，所以編譯時可以幫你發現問題，而增加 IO 時，它可以幫你在運行時檢查該 IO是否進行配置了，可以防止因為失誤導致的問題。

5、更改庫時可以很方便，只需要修改對應的宏即可，目前可以順利在 GD32 和 STM32 庫進行快速更換。

6、對于輸入 IO 而言，可以方便的修改有效和無效狀態，防止硬件修改有效電平。對于輸出 IO 而言，可以設定初始 IO 電平狀態。

7、代碼簡單高效，盡可能的復用代碼，增加一個 IO 只需要很少的空間。

8、缺點就是，只對同種配置的 IO 可以這樣用。

好好看看，或許能學到不少技巧哦。