参考资料：《STM32F4xx参考手册》
STM32F407有7x16个GPIO，如何设计寄存器可以方便管理？
考虑最简单的情况
假设只有1个GPIO，只能读取外部的电平状态，则只需要一个只读寄存器，命名为 GPIO_IDR ，其中用一个bit0就可以表示输入的高低电平。输入的情况并不需要写寄存器，权限可以设为只读。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| 0 | 输入电平状态 | r |
| [31:1] | 保留 |
多个GPIO的读写
当有多个GPIO时，仍然采用1个bit表示1个GPIO的方式，则32位的寄存器最多只能表示32个GPIO，那么更多的GPIO则需要多个寄存器。实际上相当于把GPIO分成了多个组，每个组32个GPIO。
实际上8个GPIO一组、16个GPIO一组也是完全可行的。8个GPIO一组会造成寄存器浪费较多，每个寄存器有24bit是无用的，而32个GPIO一组虽然没有浪费，但是不方便功能细分，采取折中方案16个GPIO一组，并采用ABCDEFG命名。于是GPIOA的寄存器 GPIOA_IDR 如下。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [15: 0] | 输入电平状态 | r |
| [31:16] | 保留 |
增加输出功能
GPIO不仅能输入，而且要可以输出高低电平，那么用同样的方法增加一个寄存器 GPIOx_ODR 来表示。考虑到可能会有读取输出电平的场景，权限设为可读可写。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [15: 0] | 输出电平状态 | rw |
| [31:16] | 保留 |
多个模式的管理
有了输入和输出两个模式后，如何判断GPIO目前是输入还是输出状态。应考虑再引入一个寄存器 GPIOx_MODER ，每个bit用来表示1个GPIO目前的工作模式，如下：
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [15: 0] | 0：输入模式 1：输出模式 |
rw |
| [31:16] | 保留 |
但是GPIO可能需要复用成更多的模式，如I2C、SPI、UART等模式，模式超过3个时，1个bit无法表示。此时考虑将常用的输入输出单独出来，其他模式再使用额外的寄存器选择模式。GPIOx_MODER 的功能变成下表：
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [1: 0] | 0：输入模式 1：输出模式 2：复用模式 |
rw |
| [3: 2] | 0：输入模式 1：输出模式 2：复用模式 |
rw |
| …… | …… | …… |
| [31:30] | 0：输入模式 1：输出模式 2：复用模式 |
rw |
当模式选为复用模式时，复用功能寄存器的值被采用，考虑到复用功能接近16种，需要4个bit表示，那么每组16个GPIO则需要64个bit，使用2个寄存器：GPIO 复用功能低位寄存器 GPIOx_AFRL 、GPIO复用功能高位寄存器 GPIOx_AFRH 。两个寄存器分别表示0-7,8-15各GPIO的实际复用功能。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [3: 0] | 实际复用的功能 | rw |
| [7: 4] | 实际复用的功能 | rw |
| …… | …… | …… |
| [31:28] | 实际复用的功能 | rw |
配置成复用的功能之后，如I2C模式，I2C相关的设置分离出来更有条理，将不再属于GPIO模块的一部分，应设置单独的I2C寄存器来管理。
输出模式的简化
寄存器的访问最小单位都是字节，假设需要让GPIOA的第0个GPIO设为高电平，若采用以下方式访问：
GPIOA_ODR = 1;
虽然第0个GPIO设为高电平成功了，但是同组的其他的GPIO都被设成了低电平。那么如果只想修改1个bit。则需要把其他bit的状态维持不变，应当采用（读——改——写）三个步骤。
u32 tmp = GPIOA_ODR;
tmp = tmp | 0x01;
GPIOA_ODR = tmp;
每次修改都要执行这三个步骤比较麻烦，为了方便使用，增加1个寄存器 GPIOx_BSRR 专门用来做修改。此时不需要读的功能，权限设置为只写。
- 当写入0时，维持原来的值不变，
- 当写入1时，将输出变为高电平。
此时需要16个bit，同理再增加16个bit实现设置低电平的功能。
- 当写入0时，维持原来的值不变，
- 当写入1时，将输出变为低电平。
最终 GPIOx_BSRR 的功能如下。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [15: 0] | 0：维持值不变 1：输出高电平 |
w |
| [31:16] | 0：维持值不变 1：输出低电平 |
w |
使用寄存器 GPIOx_BSRR 只需要一个写步骤就能完成修改。如：
GPIOA_BSRR = 1 << (9 + 0); //修改A组的第9个GPIO为高电平
GPIOA_BSRR = 1 << (9 + 16); //修改A组的第9个GPIO为低电平
输出模式的类型
GPIO常用的输出模式有推挽输出和开漏输出两种，特点如下：
- 推挽输出：有强高低电平驱动能力
- 开漏输出：只有低电平驱动能力 ，高电平驱动能力取决于上拉电阻，可实现线与功能。
增加一个寄存器 GPIOx_OTYPER 就可以完成两种输出类型的区分。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [15: 0] | 0：推挽输出 1：开漏输出 |
rw |
| [31:16] | 保留 |
上下拉电阻配置
提供一个默认的上下拉电阻的配置，可以简化外围电路的设计。增加一个上下拉寄存器 GPIOx_PUPDR ，允许用户配置GPIO为无拉、上拉或下拉。
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [1: 0] | 0：无拉 1：上拉 2：下拉 |
rw |
| [3: 2] | 0：无拉 1：上拉 2：下拉 |
rw |
| …… | …… | …… |
| [31:30] | 0：无拉 1：上拉 2：下拉 |
rw |
输出速率的配置
输出速率是指GPIO电平变化的最大频率。输出频率越高，噪声越大，能耗越高，电磁干扰越强。
最合适的输出速率应该是在满足基本需求的情况下尽可能的低。问题是无法预测用户会使用什么速率，只能划分为几个常见档位供用户选择。
GPIO输出速度寄存器 GPIOx_OSPEEDR ，功能如下：
| bit | 功能 | 读写权限 |
|---|---|---|
| [1: 0] | 0：低速 1：中速 2：快速 3：高速 |
rw |
| [3: 2] | 0：低速 1：中速 2：快速 3：高速 |
rw |
| …… | …… | …… |
| [31:30] | 0：低速 1：中速 2：快速 3：高速 |
rw |
注：2 MHz（低速） 、25 MHz（中速）、50 MHz（快速）
30 pF 时为 100 MHz（高速）（15 pF 时为 80 MHz 输出（最大速度））
其他功能
GPIO 端口配置锁定寄存器 GPIOx_LCKR，非必须功能，不做深入学习。
