GPIO 드라이버 직접 구현 — STM32 HAL 없이 레지스터로

#한 줄 요약

“한 핀이 어떻게 동작할지는 다섯 개 register로 정해집니다.” MODER·OTYPER·OSPEEDR·PUPDR·AFR. 이 다섯이 STM32 GPIO 전부입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

STM32 GPIO는 대단히 유연합니다. 한 핀이 input·output·analog·alternate function 중 어느 것이든 될 수 있고, output이면 push-pull/open-drain, speed는 4단계, pull-up/down까지 선택할 수 있습니다. 그래서 한 핀을 쓰려면 매번 register 5개를 만져야 합니다.

HAL을 쓰면 HAL_GPIO_Init() 하나로 끝나지만, 왜 그렇게 동작하는지 모르면 멀티 boards 환경, custom SoC, 또는 timing이 빠듯한 상황에서 막힙니다. 이 글은 그 다섯 register를 한 번에 정리합니다.

#핵심 개념

#다섯 register의 역할

핀마다 비트 수가 다르므로 비트 시프트 양도 다릅니다.

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#define PIN  5
2
GPIOA->MODER &= ~(3u << (PIN * 2));   // MODER: 2-bit per pin
3
GPIOA->OTYPER &= ~(1u << PIN);        // OTYPER: 1-bit per pin
4
GPIOA->OSPEEDR |= (3u << (PIN * 2));  // OSPEEDR: 2-bit per pin
5
GPIOA->PUPDR &= ~(3u << (PIN * 2));   // PUPDR: 2-bit per pin
6

7
// AF 설정 — pin 0-7은 AFR[0], 8-15는 AFR[1]
8
GPIOA->AFR[PIN / 8] &= ~(0xFu << ((PIN % 8) * 4));
9
GPIOA->AFR[PIN / 8] |=  (AF7  << ((PIN % 8) * 4));  // AF7 = USART1

#Mode 4가지의 의미

• Input: digital input, IDR로 읽기.
• Output: digital output, BSRR/ODR로 쓰기.
• Alternate Function: peripheral과 핀을 매칭 (UART, SPI, TIM, …).
• Analog: digital buffer를 끄고 ADC/DAC가 직접 연결.

Analog 모드는 소비전력 측면에서도 중요합니다. 사용하지 않는 ADC 핀은 analog로 두는 편이 power 절약에 좋습니다.

#Push-Pull vs Open-Drain

• Push-Pull: 0과 1을 모두 능동적으로 drive. 일반 출력.
• Open-Drain: 0만 drive, 1은 high-Z (외부 pull-up 필요). I2C, level shifter, wired-OR에 사용.

I2C는 항상 open-drain이어야 합니다. push-pull로 설정하면 multi-master나 clock stretching이 깨집니다.

#Output speed의 의미

OSPEEDR는 slew rate를 조절합니다. 빠를수록 EMI가 늘고, 느리면 high-frequency signal이 죽습니다.

상관없는 핀에 very-high를 주면 crosstalk와 EMI가 늘어납니다. 필요한 속도로만 맞춥니다.

#코드 예제

#1. GPIO HAL — 직접 작성

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typedef enum {
2
    GPIO_MODE_INPUT  = 0,
3
    GPIO_MODE_OUTPUT = 1,
4
    GPIO_MODE_AF     = 2,
5
    GPIO_MODE_ANALOG = 3,
6
} gpio_mode_t;
7

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typedef enum {
9
    GPIO_OTYPE_PP = 0,
10
    GPIO_OTYPE_OD = 1,
11
} gpio_otype_t;
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typedef enum {
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    GPIO_SPEED_LOW = 0,
15
    GPIO_SPEED_MED = 1,
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    GPIO_SPEED_HIGH = 2,
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    GPIO_SPEED_VH = 3,
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} gpio_speed_t;
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typedef enum {
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    GPIO_PULL_NONE = 0,
22
    GPIO_PULL_UP   = 1,
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    GPIO_PULL_DOWN = 2,
24
} gpio_pull_t;
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typedef struct {
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    gpio_mode_t  mode;
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    gpio_otype_t otype;
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    gpio_speed_t speed;
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    gpio_pull_t  pull;
31
    uint8_t      af;   // AF0~15, AF 모드에서만 의미
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} gpio_config_t;
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void gpio_init(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin, const gpio_config_t *cfg);
35
void gpio_write(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin, int high);
36
int  gpio_read(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin);

1
void gpio_init(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin, const gpio_config_t *cfg) {
2
    // MODER
3
    port->MODER &= ~(3u << (pin * 2));
4
    port->MODER |=  ((uint32_t)cfg->mode << (pin * 2));
5

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    // OTYPER
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    port->OTYPER &= ~(1u << pin);
8
    port->OTYPER |=  ((uint32_t)cfg->otype << pin);
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    // OSPEEDR
11
    port->OSPEEDR &= ~(3u << (pin * 2));
12
    port->OSPEEDR |=  ((uint32_t)cfg->speed << (pin * 2));
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    // PUPDR
15
    port->PUPDR &= ~(3u << (pin * 2));
16
    port->PUPDR |=  ((uint32_t)cfg->pull << (pin * 2));
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    // AFR — only if AF mode
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    if (cfg->mode == GPIO_MODE_AF) {
20
        uint32_t idx = pin / 8;
21
        uint32_t shift = (pin % 8) * 4;
22
        port->AFR[idx] &= ~(0xFu << shift);
23
        port->AFR[idx] |=  ((uint32_t)cfg->af << shift);
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    }
25
}
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void gpio_write(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin, int high) {
28
    port->BSRR = high ? (1u << pin) : (1u << (pin + 16));
29
}
30

31
int gpio_read(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin) {
32
    return (port->IDR >> pin) & 1u;
33
}

#2. 사용 예시

1
// PA5 LED (output, push-pull, low speed)
2
gpio_init(GPIOA, 5, &(gpio_config_t){
3
    .mode  = GPIO_MODE_OUTPUT,
4
    .otype = GPIO_OTYPE_PP,
5
    .speed = GPIO_SPEED_LOW,
6
    .pull  = GPIO_PULL_NONE,
7
});
8

9
// PC13 button (input, pull-up)
10
gpio_init(GPIOC, 13, &(gpio_config_t){
11
    .mode = GPIO_MODE_INPUT,
12
    .pull = GPIO_PULL_UP,
13
});
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15
// PA9/PA10 UART1 (AF7)
16
gpio_init(GPIOA, 9, &(gpio_config_t){
17
    .mode = GPIO_MODE_AF, .otype = GPIO_OTYPE_PP,
18
    .speed = GPIO_SPEED_HIGH, .pull = GPIO_PULL_UP, .af = 7,
19
});
20
gpio_init(GPIOA, 10, &(gpio_config_t){
21
    .mode = GPIO_MODE_AF, .otype = GPIO_OTYPE_PP,
22
    .speed = GPIO_SPEED_HIGH, .pull = GPIO_PULL_UP, .af = 7,
23
});
24

25
// PB6/PB7 I2C1 (AF4, open-drain, no pull — 외부 pull-up 사용)
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gpio_init(GPIOB, 6, &(gpio_config_t){
27
    .mode = GPIO_MODE_AF, .otype = GPIO_OTYPE_OD,
28
    .speed = GPIO_SPEED_MED, .pull = GPIO_PULL_NONE, .af = 4,
29
});

#3. Atomic toggle

BSRR을 활용한 race-free toggle은 두 write로 분리합니다.

1
static inline void gpio_toggle(GPIO_TypeDef *port, uint32_t pin) {
2
    uint32_t odr = port->ODR;
3
    port->BSRR = ((odr & (1u << pin)) << 16) | (~odr & (1u << pin));
4
}

ODR XOR보다 안전하지만, 완벽한 atomicity가 필요하면 BSRR set/reset을 별도 함수로 분리합니다.

#측정 / 동작 확인

설정이 잘 됐는지는 register dump로 확인할 수 있습니다.

1
(gdb) p/x *GPIOA
2
$1 = {
3
  MODER   = 0x28000c00,   // PA5=01 (output), PA9/10=10 (AF), PA13/14=10
4
  OTYPER  = 0x00000000,   // all push-pull
5
  OSPEEDR = 0x0c000c00,   // PA5=high, ...
6
  PUPDR   = 0x64000600,   // PA13=pull-up, PA14=pull-down ...
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  IDR     = 0x0000a020,
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  ODR     = 0x00000020,   // PA5=1 (LED on)
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  ...
10
}

MODER의 PA5 자리 (bits 11

스코프로 PA5를 보면 push-pull 출력은 0V↔3.3V를 즉시 전환합니다. open-drain이라면 1로 갈 때 RC time constant만큼 ramp가 보입니다.

#자주 보는 함정

⚠️ Clock enable 안 함

RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN을 빠뜨리면 register write가 효과 없습니다. 매 init 함수의 첫 줄에 둡니다.

⚠️ AF 번호 잘못 매김

datasheet의 “alternate function mapping” 표를 확인합니다. STM32F4의 USART1 TX는 PA9의 AF7, USART6 TX는 PC6의 AF8. 핀과 peripheral에 따라 AF 번호가 다릅니다.

⚠️ I2C에 push-pull 설정

I2C는 반드시 open-drain입니다. push-pull로 두면 두 master가 동시에 drive 할 때 short-circuit이 발생합니다.

⚠️ Pull-up이 필요한 input을 floating으로 둠

외부 button이 active-low (눌리지 않으면 floating)면 internal pull-up이 필요합니다. floating input은 ADC noise를 흡수해 chatter처럼 보입니다.

⚠️ Analog 모드를 안 쓰고 digital input으로 남김

ADC 채널로 사용할 핀은 반드시 analog mode. digital input 상태로 두면 Schmitt trigger가 살아 있어 불필요한 전류를 흘립니다 (특히 입력이 mid-rail에 있을 때).

#정리

• STM32 GPIO는 MODER·OTYPER·OSPEEDR·PUPDR·AFR 5개 register로 전부 설정됩니다.
• Mode 4가지: input·output·AF·analog. 각각 의미와 power 특성이 다릅니다.
• I2C는 open-drain, SPI/UART는 push-pull, ADC는 analog.
• BSRR은 atomic set/reset. ODR XOR보다 안전합니다.
• speed는 필요한 만큼만 올립니다 — EMI와 power 측면에서 손해.

다음 편은 클럭 설정입니다. HSE/HSI 선택부터 PLL·prescaler·peripheral clock enable까지 STM32의 클럭 트리를 한 번에 정리합니다.

#관련 항목

• 1-03: GPIO 내부 구조
• 4-02: 레지스터 직접 접근
• 4-04: 클럭 설정
• 4-07: UART 드라이버