GPIO是通用輸入/輸出端口的簡(jiǎn)稱，是STM32可控制的引腳。GPIO的引腳與外部硬件設(shè)備連接，可實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數(shù)據(jù)的功能。那STM32引腳是如何分類的？GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的，隨海翎光電的小編一起看看吧！

一、GPIO是什么？

GPIO（英語(yǔ)：General-purpose input/output）

通用輸入輸出端口的簡(jiǎn)稱。可以通過軟件控制其輸出和輸入。stm32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來(lái)，GPIO既然一個(gè)引腳可以用于輸入、輸出或其他特殊功能，那么一定有寄存器用來(lái)選擇這些功能。對(duì)于輸入，一定可以通過讀取某個(gè)寄存器來(lái)確定引腳電位的高低；對(duì)于輸出，一定可以通過寫入某個(gè)寄存器來(lái)讓這個(gè)引腳輸出高電位或者低電位；對(duì)于其他特殊功能，則有另外的寄存器來(lái)控制它們。

二、STM32引腳分類

三、GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)

• 引腳內(nèi)部加上這兩個(gè)保護(hù)二級(jí)管可以防止引腳外部過高或過低的電壓輸入。
• 當(dāng)引腳電壓高于 VDD_FT 或 VDD 時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通吸收這個(gè)高電壓。
• 當(dāng)引腳電壓低于 VSS 時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀。
  
  

• 上拉和下拉電阻上都有一個(gè)開關(guān)，通過配置上下拉電阻開關(guān)，可以控制引腳的默認(rèn)狀態(tài)電平。
• 當(dāng)開啟上拉時(shí)引腳默認(rèn)電壓為高電平，
• 開啟下拉時(shí)，引腳默認(rèn)電壓為低電平，這樣就可以消除引腳不定狀態(tài)的影響。
• 將上拉和下拉的開關(guān)都關(guān)斷，這種狀態(tài)我們稱為浮空模式，一旦配置成這個(gè)模式，引腳的電壓是不確定的，如果用萬(wàn)用表測(cè)量此模式下管腳電壓時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)只有 1 點(diǎn)幾伏，而且還不時(shí)改變，所以一般情況下我們都會(huì)給引腳設(shè)置成上拉或者下拉模式，使它有一個(gè)默認(rèn)狀態(tài)。
• STM32 上下拉及浮空模式的配置是通過GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器控制的。
• STM32 內(nèi)部的上拉其實(shí)是一個(gè)弱上拉，也就是說(shuō)通過此上拉電阻輸出的電流很小，如果想要輸出一個(gè)大電流，那么就需要外接上拉電阻了。
  
  

• GPIO 引腳經(jīng)過兩個(gè)保護(hù)二極管后就分成兩路，
• 上面一路是“輸入模式”，下面一路是“輸出模式”。
• 輸出模式，線路經(jīng)過一個(gè)由 P-MOS 和 N-MOS管組成的單元電路，這讓 GPIO 引腳具有了推挽和開漏兩種輸出模式。
• 推挽輸出模式，是根據(jù) P-MOS 和 N-MOS 管的工作方式命名的。
• 在該結(jié)構(gòu)單元輸入一個(gè)高電平時(shí)，P-MOS 管導(dǎo)通，N-MOS 管截止，對(duì)外輸出高電平（3.3V）。
• 在該單元輸入一個(gè)低電平時(shí)，P-MOS 管截止，N-MOS 管導(dǎo)通，對(duì)外輸出低電平（0V）。
• 如果當(dāng)切換輸入高低電平時(shí)，兩個(gè) MOS 管將輪流導(dǎo)通，一個(gè)負(fù)責(zé)灌電流（電流輸出到負(fù)載），一個(gè)負(fù)責(zé)拉電流（負(fù)載電流流向芯片），使其負(fù)載能力和開關(guān)速度都比普通的方式有很大的提高。下圖為推挽輸出模式的等效電路。

• 在開漏輸出模式時(shí)，不論輸入是高電平還是低電平，P-MOS 管總處于關(guān)閉狀態(tài)。
• 當(dāng)給這個(gè)單元電路輸入低電平時(shí)，N-MOS 管導(dǎo)通，輸出即為低電平。
• 當(dāng)輸入高電平時(shí)，N-MOS 管截止，這個(gè)時(shí)候引腳狀態(tài)既不是高電平，又不是低電平，我們稱之為高阻態(tài)。
• 如果想讓引腳輸出高電平，那么引腳必須外接一個(gè)上拉電阻，由上拉電阻提供高電平。開漏輸出模式等效電路圖如下圖所示。

•  在開漏輸出模式中還有一個(gè)特點(diǎn)，引腳具有“線與”關(guān)系。即多個(gè)開漏輸出模式的引腳接在一起，只要有一個(gè)引腳為低電平，其他所有管腳都為低電平，即把所有引腳連接在一起的這條總線拉低了。

• 只有當(dāng)所有引腳輸出高阻態(tài)時(shí)這條總線的電平才由上拉電阻的 VDD 決定。如果 VDD 連接的是 3.3V，那么引腳輸出的就是 3.3V，如果 VDD 連接的是 5V，那么引腳輸出的就是 5V。因此如果想要讓 STM32 管腳輸出 5V，可以選擇開漏輸出模式，然后在外接上拉電阻的電源 VDD 選擇 5V 即可，前提是這個(gè) STM32 引腳是容忍 5V 的。開漏輸出模式一般應(yīng)用在 I2C、SMBUS 通訊等需要“線與”功能的總線電路中。還可以用在電平不匹配的場(chǎng)合中，就如上面說(shuō)的輸出 5V 一樣。
• 推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為 0-3.3V 而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場(chǎng)合。除了必須要用開漏輸出模式的場(chǎng)合，我們一般選擇推挽輸出模式。要配置引腳是開漏輸出還是推挽輸出模式可以使用GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器。
  
  

四、GPIO具有8種模式，四種輸入模式，四種輸出模式。

輸入模式：

輸出模式：

開漏輸出（上拉或者下拉）GPIO_Mode_Out_OD

開漏復(fù)用功能（上拉或者下拉）GPIO_Mode_AF_OD

推挽式輸出（上拉或者下拉）GPIO_Mode_Out_PP

推挽式復(fù)用功能（上拉或者下拉）GPIO_Mode_AF_PP

四種最大輸出速度：

2MHZ

25MHZ

50MHZ

1000MHZ

五、GPIO8種模式含義

輸入浮空：浮空就是邏輯器件與引腳即不接高電平，也不接低電平。由于邏輯器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)它輸入引腳懸空時(shí)，相當(dāng)于該引腳接了高電平。一般實(shí)際運(yùn)用時(shí)，引腳不建議懸空，易受干擾。通俗講就是浮空就是浮在空中，就相當(dāng)于此端口在默認(rèn)情況下什么都不接，呈高阻態(tài)，這種設(shè)置在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)用的比較多。浮空最大的特點(diǎn)就是電壓的不確定性，它可能是0V，頁(yè)可能是VCC，還可能是介于兩者之間的某個(gè)值（最有可能） 浮空一般用來(lái)做ADC輸入用，這樣可以減少上下拉電阻對(duì)結(jié)果的影響。

輸入上拉模式：上拉就是把點(diǎn)位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻嵌位在高電平。電阻同時(shí)起到限流的作用。弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分。

輸入下拉：就是把電壓拉低，拉到GND。與上拉原理相似。

模擬輸入：模擬輸入是指?jìng)鹘y(tǒng)方式的輸入，數(shù)字輸入是輸入PCM數(shù)字信號(hào)，即0,1的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)前級(jí)放大進(jìn)入功率放大器，功率放大器還是模擬的。

開漏復(fù)用功能：可以理解為GPIO口被用作第二功能時(shí)的配置情況（即并非作為通用IO口使用）。端口必須配置成復(fù)用功能輸出模式（推挽或開漏）

推挽式輸出：可以輸出高，低電平，連接數(shù)字器件;推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三級(jí)管分別受到互補(bǔ)信號(hào)的控制，總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。高低電平由IC的電源低定。

推挽電路是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形方法任務(wù)，電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小，效率高。輸出即可以向負(fù)載灌電流。推拉式輸出級(jí)即提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

推挽式復(fù)用功能：可以理解為GPIO口被用作第二功能時(shí)的配置情況（并非作為通用IO口使用）

GPIO的主要寄存器

每個(gè)I/O端口位可以自由編程，然而I/O端口寄存器必須按32位字被訪問(不允許半字或字節(jié)訪問)，**一些寄存器的使用功能可以通過立創(chuàng)商場(chǎng)查找相應(yīng)單片機(jī)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)查閱，然后進(jìn)行相應(yīng)的端口配置，以達(dá)到IO口初始化的效果。**也可以通過以下鏈接來(lái)查看GPIO相關(guān)寄存器配置詳情。

GPIO相關(guān)寄存器

六、在stm32中選用io模式

（1） 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識(shí)別，RX1

（2）帶上拉輸入_IPU——IO內(nèi)部上拉電阻輸入

（3）帶下拉輸入_IPD—— IO內(nèi)部下拉電阻輸入

（4）模擬輸入_AIN ——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電

（5）開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND，IO輸出1，懸空，需要外接上拉電阻，才能實(shí)現(xiàn)輸出高電平。當(dāng)輸出為1時(shí)，IO口的狀態(tài)由上拉電阻拉高電平，但由于是開漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變?yōu)榈碗娖交虿蛔??？梢宰xIO輸入電平變化，實(shí)現(xiàn)C51的IO雙向功能

（6）推挽輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的

（7）復(fù)用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內(nèi)外設(shè)功能（I2C的SCL,SDA）

（8）復(fù)用功能的開漏輸出_AF_OD ——片內(nèi)外設(shè)功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

總結(jié)：之前對(duì)于配置寄存器都是通過例程來(lái)進(jìn)行配置的，當(dāng)自己實(shí)際來(lái)進(jìn)行配置的時(shí)候還是有點(diǎn)困難，經(jīng)過多次練習(xí)后，自己掌握了一些寄存器的應(yīng)用場(chǎng)景之后，配置端口的速度也有所提升，也對(duì)之前不懂的地方有了新的理解，總的來(lái)說(shuō)，成功沒有捷徑，還是要多練習(xí)，多看stm32中的一些底層函數(shù)，這樣才有更好的提升。好了，海翎光電的小編今日分享就到這里。