BÀI 19 – GPIO STM32F103: TỪ REGISTER ĐẾN CHÂN GPIO THỰC TẾ

Ở Bài 17, bạn đã học Memory Map của STM32F103.
Ở Bài 18, ta bắt đầu đi vào GPIO.

Bài 19 sẽ nối toàn bộ kiến thức lại:

Địa chỉ bộ nhớ → Peripheral → GPIO port → Register → Bit → chân vật lý → LED

Đây là bài rất quan trọng nếu mục tiêu của bạn là lập trình STM32 bằng C ở mức register, chứ không chỉ gọi HAL.

---

1. GPIO thực chất là gì?

GPIO = General Purpose Input/Output

Một chân GPIO có thể được cấu hình để:

• xuất mức HIGH/LOW
• đọc mức HIGH/LOW
• Analog
• Alternate Function
• một số chức năng đặc biệt khác

Ví dụ:

STM32F103
   │
   ├── GPIOA
   │    ├── PA0
   │    ├── PA1
   │    ├── PA2
   │    └── ...
   │
   ├── GPIOB
   │    ├── PB0
   │    ├── PB1
   │    └── ...
   │
   └── GPIOC
        ├── PC13
        └── ...

Trên Blue Pill của bạn, LED onboard thường nối với:

PC13

Vì vậy PC13 là một ví dụ cực kỳ tốt để học GPIO.

---

2. Điều quan trọng: GPIOC không phải là một biến

Khi viết:

GPIOC

ta thường đang nói đến địa chỉ cơ sở của peripheral GPIOC.

Trong STM32F103, vùng GPIO nằm trong vùng Peripheral.

Một địa chỉ cơ sở quan trọng:

GPIOA = 0x40010800
GPIOB = 0x40010C00
GPIOC = 0x40011000
GPIOD = 0x40011400
GPIOE = 0x40011800

Đây chính là kiến thức từ Memory Map của Bài 17 được sử dụng trực tiếp.

---

3. GPIOC có rất nhiều register

GPIOC không chỉ có một register.

Có các register quan trọng:

GPIOC
 │
 ├── CRL
 ├── CRH
 ├── IDR
 ├── ODR
 ├── BSRR
 ├── BRR
 └── LCKR

Đối với STM32F103:

Register	Chức năng
CRL	cấu hình PA0–PA7 / PB0–PB7 / PC0–PC7
CRH	cấu hình PA8–PA15 / PB8–PB15 / PC8–PC15
IDR	đọc trạng thái chân
ODR	xuất trạng thái
BSRR	set/reset bit
BRR	reset bit
LCKR	khóa cấu hình

Và đây chính là lúc kiến thức về pointer + struct + bit manipulation từ các bài trước bắt đầu phát huy tác dụng.

---

4. Tại sao PC13 dùng CRH chứ không phải CRL?

Đây là câu hỏi rất quan trọng.

GPIO có 16 chân:

PC0
PC1
PC2
...
PC7

PC8
PC9
...
PC15

STM32 chia chúng thành hai nhóm:

CRL → pin 0 đến pin 7

CRH → pin 8 đến pin 15

PC13 nằm trong:

PC8 → PC15

nên:

PC13 → GPIOC_CRH

---

5. Mỗi chân chiếm 4 bit

Đây là điểm bạn cần đặc biệt hiểu.

Trong CRL/CRH:

Mỗi GPIO pin = 4 bit

Ví dụ CRH:

31                         0
┌────┬────┬────┬──── ... ────┐
│PC15│PC14│PC13│ ... │ PC8   │
└────┴────┴────┴──── ... ────┘

Mỗi chân:

MODE[1:0]
CNF[1:0]

Tổng cộng:

4 bit / pin

---

6. Vị trí PC13 trong CRH

PC8 bắt đầu ở bit:

0

PC9:

4

PC10:

8

PC11:

12

PC12:

16

PC13:

20

PC14:

24

PC15:

28

Vậy:

PC13 → CRH bit 20–23

Đây là một bài tập bit-shift cực kỳ thực tế.

---

7. MODE và CNF

Mỗi chân có:

CNF1 CNF0 MODE1 MODE0

Ví dụ:

PC13
│
├── MODE1
├── MODE0
├── CNF1
└── CNF0

MODE

MODE xác định tốc độ hoặc Input mode.

Các giá trị thường gặp:

00 = Input mode
01 = Output 10 MHz
10 = Output 2 MHz
11 = Output 50 MHz

Ví dụ muốn PC13 là output 2 MHz:

MODE = 10

---

8. CNF xác định kiểu GPIO

Với Output:

CNF = 00

→ General purpose push-pull.

Vậy:

MODE = 10
CNF  = 00

ta có:

0010

Cho PC13.

---

9. Tư duy quan trọng nhất: không sửa cả register

Giả sử:

GPIOC->CRH = 0x00000000;

thì bạn đang xóa cấu hình của:

PC8
PC9
PC10
...
PC15

Điều này rất nguy hiểm nếu những chân khác đang được sử dụng.

Thay vào đó phải sử dụng:

mask

Đây là lý do Bài 16 về:

&
|
~
<<

rất quan trọng.

---

10. Xóa cấu hình PC13

PC13 nằm ở bit 20–23.

Mask:

0xF << 20

Tương đương:

1111
dịch trái 20 bit

Sau đó:

GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);

Ý nghĩa:

Xóa đúng 4 bit cấu hình PC13, nhưng giữ nguyên các bit khác.

Đây chính là tư duy lập trình register.

---

11. Đặt PC13 thành Output Push-Pull 2 MHz

Sau khi xóa:

GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);

Ta đặt:

MODE = 10
CNF  = 00

Giá trị 4 bit:

0010

Vì vậy:

GPIOC->CRH |= (0x2 << 20);

Kết quả:

PC13 = Output Push-Pull 2 MHz

---

12. Nhưng vẫn còn một vấn đề

GPIOC chưa chắc đã được cấp clock.

STM32F1 có hệ thống clock cho peripheral.

GPIOC thuộc:

APB2

Clock của GPIOC được điều khiển bởi:

RCC

Cụ thể:

RCC_APB2ENR

Có bit:

IOPCEN

Nếu clock GPIOC chưa bật:

GPIOC

không hoạt động đúng.

---

13. Đây là chuỗi tư duy hoàn chỉnh

Khi muốn điều khiển PC13 bằng register, hãy nghĩ:

RCC
 │
 │ bật clock GPIOC
 ▼
GPIOC
 │
 ├── CRH
 │    └── cấu hình PC13
 │
 └── ODR / BSRR / BRR
      └── điều khiển PC13

Đây là kiến trúc mà bạn cần bắt đầu hình thành trong đầu.

---

14. Bật clock GPIOC

Ví dụ:

RCC->APB2ENR |= (1 << 4);

Tại sao là bit 4?

Các bit clock GPIO thường được bố trí:

bit 2 → IOPAEN
bit 3 → IOPBEN
bit 4 → IOPCEN
bit 5 → IOPDEN
bit 6 → IOPEEN

Do đó:

1 << 4

chính là:

0001 0000

---

15. Sau đó cấu hình PC13

GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);
GPIOC->CRH |=  (0x2 << 20);

Bây giờ PC13 là:

Output
Push-Pull
2 MHz

---

16. Xuất HIGH/LOW bằng ODR

ODR = Output Data Register.

Ví dụ:

GPIOC->ODR |= (1 << 13);

→ PC13 = HIGH.

Ngược lại:

GPIOC->ODR &= ~(1 << 13);

→ PC13 = LOW.

Bạn có thể nhìn thấy ngay mối liên hệ:

PC13
 ↓
bit 13
 ↓
1 << 13

---

17. Toggle PC13

Nếu muốn đảo trạng thái:

GPIOC->ODR ^= (1 << 13);

Nếu đang:

0

thì thành:

1

Nếu đang:

1

thì thành:

0

Đây chính là toán tử XOR mà bạn đã học.

---

18. Nhưng có cách tốt hơn ODR

STM32F1 có:

BSRR

Bit 0–15:

Set

Bit 16–31:

Reset

Ví dụ set PC13:

GPIOC->BSRR = (1 << 13);

Reset PC13:

GPIOC->BSRR = (1 << (13 + 16));

hay:

GPIOC->BSRR = (1 << 29);

---

19. Tại sao BSRR rất hay?

Giả sử:

GPIOC->ODR |= (1 << 13);

Đây là kiểu:

Read
Modify
Write

Trong một số tình huống nhiều phần mềm/ngắt cùng thao tác GPIO, điều này có thể gây vấn đề.

BSRR cho phép thao tác set/reset bit theo cơ chế phần cứng thuận tiện hơn.

Ví dụ:

GPIOC->BSRR = (1 << 13);

nghĩa là:

SET PC13

Còn:

GPIOC->BSRR = (1 << 29);

nghĩa là:

RESET PC13

---

20. Code hoàn chỉnh kiểu Register

Một ví dụ tối giản:

#include "stm32f1xx.h"

void GPIOC_PC13_Init(void)
{
    // 1. Enable clock GPIOC
    RCC->APB2ENR |= (1 << 4);

    // 2. Clear configuration PC13
    GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);

    // 3. PC13 = Output Push-Pull, 2 MHz
    GPIOC->CRH |= (0x2 << 20);
}

int main(void)
{
    GPIOC_PC13_Init();

    while (1)
    {
        GPIOC->BSRR = (1 << 13);   // SET PC13

        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);

        GPIOC->BSRR = (1 << 29);   // RESET PC13

        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

Lưu ý: LED onboard PC13 trên Blue Pill thường mắc theo kiểu active-low, nên có thể bạn sẽ thấy LED sáng khi PC13 ở LOW và tắt khi HIGH.

---

21. Điều tôi muốn bạn đặc biệt hiểu ở bài này

Đừng học thuộc:

GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);

Hãy hiểu nó.

Ta có:

PC13
 ↓
pin number = 13
 ↓
PC13 thuộc CRH
 ↓
mỗi pin 4 bit
 ↓
(13 - 8) × 4
 ↓
20

Vì vậy:

GPIOC->CRH

và:

20

không phải con số thần bí.

Nó được tính ra từ cấu trúc phần cứng.

---

22. Công thức cực kỳ quan trọng

Đối với STM32F1:

Pin 0–7

CRL

Vị trí:

pin × 4

Pin 8–15

CRH

Vị trí:

(pin - 8) × 4

Ví dụ:

PC5

CRL
bit = 5 × 4 = 20

PC13

CRH
bit = (13 - 8) × 4
    = 20

Bạn có thể tự tính cho bất kỳ GPIO nào.

---

23. Bài tập thực hành

Không cần học tiếp ngay. Hãy thử tự làm 5 câu này.

Câu 1

PC5 nằm trong:

CRL hay CRH?

Câu 2

PC5 bắt đầu ở bit số mấy?

Câu 3

PC10 nằm trong:

CRL hay CRH?

Câu 4

PC10 bắt đầu ở bit số mấy?

Câu 5

Muốn set PC13 bằng BSRR thì viết:

GPIOC->BSRR = ?

---

24. Bức tranh lớn sau Bài 19

Đến đây kiến thức của bạn đã nối được như sau:

Bài 1
Kiểu dữ liệu
     ↓
Bài 5
Pointer
     ↓
Bài 7–13
Struct / typedef / enum
     ↓
Bài 16
Bit / Mask / Shift
     ↓
Bài 17
Memory Map
     ↓
Bài 18
GPIO
     ↓
Bài 19
GPIO Register
     ↓
       ┌───────────────┐
       │ RCC           │
       │ GPIOC         │
       │ CRH           │
       │ ODR           │
       │ BSRR          │
       └───────────────┘
              ↓
            PC13
              ↓
             LED

Đây chính là bước chuyển từ “học C” sang “lập trình vi điều khiển bằng C”.

Ở Bài 20, chúng ta nên đi sâu vào GPIO Input: đọc nút nhấn bằng IDR, pull-up/pull-down, debounce, và quan trọng nhất là hiểu tại sao đọc một chân GPIO lại chỉ là đọc một bit trong một register.