【STM32】GPIO简介

1.GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。 STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚。

最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入到LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭， 引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。

最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

2.GPIO框图剖析

该图从最右端看起，最右端就是代表STM32芯片引出的GPIO引脚，其余部件都位于芯片内部。

①Vdd是接高电平，Vss是接地。当引脚电压高于VDD_FT时，上方的二极管导通， 当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。上拉、下拉电阻，从它的结构我们可以看出，通过上、下拉对应的开关配置，我们可以控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平， 开启下拉的时候引脚电压为低电平，这样可以消除引脚不定状态的影响。如引脚外部没有外接器件，或者外部的器件不干扰该引脚电压时，STM32的引脚都会有这个默认状态。也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式，配置成这个模式时，直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏， 这是个不确定值。所以一般来说我们都会选择给引脚设置“上拉模式”或“下拉模式”使它有默认状态。STM32的内部上拉是“弱上拉”，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

②输出模式部分， 线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭， 对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。而在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出接地， 若控制输出为1 (它无法直接输出高电平)时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时， 只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平， 那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0伏。推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平， 就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。

④“复用功能输出”中的“复用”是指STM32的其它片上外设对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。 从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。

例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

⑥与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输出模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其它片上外设，由该外设读取引脚状态。

同样，如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

⑤③看GPIO结构框图的上半部分，它是GPIO引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1的数字信号， 然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

前面提到的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。 而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

⑦当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1两种状态， 所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能， DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构了，在GPIO结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。同时，当GPIO用于模拟功能时(包括输入输出)， 引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使在寄存器配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出。

3.GPIO八种模式

GPIO八种模式	特点及应用
输入浮空	输入用，完全浮空，状态不定。适用于需要读取外部信号的场景，但外部信号状态不确定。
输入上拉	输入用，用内部上拉，默认是高电平。适用于外部信号默认为高电平的情况，如按钮按下时会拉低信号。
输入下拉	输入用，用内部下拉，默认是低电平。适用于外部信号默认为低电平的情况，如按钮按下时会拉高信号。
模拟功能	用于连接模拟外设（ADC、DAC等）
开漏输出	其特点是不能输出高电平，必须有外部或内部上拉电阻才能实现输出高电平。常用于构建总线，如i2c。
推挽输出	其特点是可以输出高电平和低电平，具有较强的驱动能。
开漏式复用功能	用于实现开漏输出，并复用了片上外设功能，例如硬件i2c的数据和时钟线。
推挽式复用功能	用于实现推挽输出，并复用了片上外设功能。例如SPI的SCK、MISO、MOSI线。