一、GPIO是什么

GPIO(general porpose intput output):通用輸入輸出端口的簡稱?？梢酝ㄟ^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，從而實現(xiàn)與外部通信，控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。

二、STM32引腳分類

電源管腳： 引腳圖中的 VDD、VSS、VREF+、VREF-、VSSA、VDDA 等都屬于電源引腳。

晶振管腳：引腳圖中的 PC14、PC15 和 OSC_IN、OSC_OUT 都屬于晶振引腳，不過它們還可以作為普通引腳使用。

復(fù)位管腳： 引腳圖中的 NRST 屬于復(fù)位引腳，不做其他功能使用。

下載引腳：引腳圖中的 PA13、PA14、PA15、PB3 和 PB4 屬于 JTAG 或SW 下載引腳。不過它們還可以作為普通引腳或者特殊功能使用，具體的功能可以查看芯片數(shù)據(jù)手冊，里面都會有附加功能說明。當(dāng)然，STM32 的串口功能引腳也是可以作為下載引腳使用。

T BOOT  引腳：引腳圖中的 BOOT0 和 PB2(BOOT1)屬于 BOOT 引腳，PB2 還可以作為普通管腳使用。在 STM32 啟動中會有模式選擇，其中就是依靠著 BOOT0和 BOOT1 的電平來決定。

GPIO管腳：引腳圖中的 PA、PB、PC、PD 等均屬于 GPIO 引腳。從引腳圖可以看出，GPIO 占用了 STM32 芯片大部分的引腳。并且每一個端口都有 16 個引腳，比如 PA 端口，它有 PA0-PA15。其他的 PB、PC 等端口是一樣的。

三、GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖中最右端 I/O 端口是STM32 芯片的引腳，其它部分都在 STM32 芯片內(nèi)部

(1)、保護(hù)二極管

引腳內(nèi)部加上這兩個保護(hù)二級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，上方的二極管導(dǎo)通吸收這個高電壓。

當(dāng)引腳電壓低于 VSS 時，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。

(2)、上下拉電阻

上拉和下拉電阻上都有一個開關(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)開啟上拉時引腳默認(rèn)電壓為高電平，開啟下拉時，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，一旦配置成這個模式，引腳的電壓是不確定的，如果用萬用表測量此模式下管腳電壓時會發(fā)現(xiàn)只有 1 點幾伏，而且還不時改變，所以一般情況下我們都會給引腳設(shè)置成上拉或者下拉模式，使它有一個默認(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)部的上拉其實是一個弱上拉，也就是說通過此上拉電阻輸出的電流很小，如果想要輸出一個大電流，那么就需要外接上拉電阻了。

(3)、P-MOS 和 和 S N-MOS 

GPIO 引腳經(jīng)過兩個保護(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)單元輸入一個高電平時，P-MOS 管導(dǎo)通，N-MOS 管截止，對外輸出高電平（3.3V）。

在該單元輸入一個低電平時，P-MOS 管截止，N-MOS 管導(dǎo)通，對外輸出低電平（0V）。

如果當(dāng)切換輸入高低電平時，兩個 MOS 管將輪流導(dǎo)通，一個負(fù)責(zé)灌電流（電流輸出到負(fù)載），一個負(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，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)給這個單元電路輸入低電平時，N-MOS 管導(dǎo)通，輸出即為低電平。

當(dāng)輸入高電平時，N-MOS 管截止，這個時候引腳狀態(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特點，引腳具有“線與”關(guān)系。即多個開漏輸出模式的引腳接在一起，只要有一個引腳為低電平，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 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合中，就如上面說的輸出 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)的場合。除了必須要用開漏輸出模式的場合，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。

(4)、輸出數(shù)據(jù)寄存器

雙 MOS 管結(jié)構(gòu)電路的輸入信號，是由 GPIO“輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我們通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值就可以修改 GPIO 引腳的輸出電平。而“置位/復(fù)位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值從而影響電路的輸出。

(5)、復(fù)用功能輸出

由于 STM32 的 GPIO 引腳具有第二功能，因此當(dāng)使用復(fù)用功能的時候，也就是通過其他外設(shè)復(fù)用功能輸出信號與 GPIO 數(shù)據(jù)寄存器一起連接到雙 MOS 管電路的輸入，其中梯形結(jié)構(gòu)是用來選擇使用復(fù)用功能還是普通 IO 口功能。例如我們使用 USART 串口通訊時，需要用到某個 GPIO 引腳作為通訊發(fā)送引腳，這個時候就可以把該 GPIO 引腳配置成 USART 串口復(fù)用功能，由串口外設(shè)控制該引腳，發(fā)送數(shù)據(jù)。

(6)、輸入數(shù)據(jù)寄存器

輸入數(shù)據(jù)寄存器是由 IO 口經(jīng)過上下拉電阻、施密特觸發(fā)器引入。當(dāng)信號經(jīng)過觸發(fā)器，模擬信號將變?yōu)?a href="http://m.weightgang.cn/zhuanti/4yjTuH" style="color:#4595e6;" target="_blank">數(shù)字信號 0 或 1，然后存儲在輸入數(shù)據(jù)寄存器中，通過讀取輸入數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_IDR 就可以知道 IO 口的電平狀態(tài)。

(7)、復(fù)用功能輸入

此模式與復(fù)用功能輸出類似。在復(fù)用功能輸入模式時，GPIO 引腳的信號傳輸?shù)?STM32 其他片上外設(shè)，由該外設(shè)讀取引腳的狀態(tài)。同樣，如我們使用 USART 串口通訊時，需要用到某個 GPIO 引腳作為通訊接收引腳，這個時候就可以把該 GPIO 引腳配置成 USART 串口復(fù)用功能，使 USART 可以通過該通訊引腳的接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)。

(8)、模擬輸入輸出

當(dāng) GPIO 引腳用于 ADC 采集電壓的輸入通道時，用作“模擬輸入”功能，此時信號是不經(jīng)過施密特觸發(fā)器的，因為經(jīng)過施密特觸發(fā)器后信號只有 0、1 兩種狀態(tài)，ADC 外設(shè)要采集到原始的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發(fā)器之前。類似地，當(dāng) GPIO 引腳用于 DAC 作為模擬電壓輸出通道時，此時作為“模擬輸出”功能， DAC 的模擬信號輸出就不經(jīng)過雙 MOS 管結(jié)構(gòu)了，模擬信號直接通過管腳輸出。

四、GPIO的工作模式

通過 GPIO 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系，決定了 GPIO 可以配置成以下幾種模式。

4.1、輸入模式（模擬、上拉、下拉、浮空）

在輸入模式時，施密特觸發(fā)器打開，輸出被禁止。

可通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR 讀取 I/O 狀態(tài)。

輸入模式可以配置為模擬、上拉、下拉以及浮空模式。上拉和下拉輸入很好理解，默認(rèn)的電平由上拉或者下拉決定。

浮空輸入的電平是不確定的，完全由外部的輸入決定，一般接按鍵的時候可以使用這個模式。

模擬輸入則用于 ADC 采集。

4.2、輸出模式（推挽/ / 開漏）

在輸出模式中，推挽模式時雙 MOS 管以推挽方式工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR 可控制 I/O 輸出高低電平。

開漏模式時，只有 N-MOS 管工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器可控制 I/O 輸出高阻態(tài)或低電平。

輸出速度可配置，有2MHz25MHz50MHz 的選項。此處的輸出速度即 I/O 支持的高低電平狀態(tài)最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，如果功耗要求不嚴(yán)格，把速度設(shè)置成最大即可。

在輸出模式時，施密特觸發(fā)器是打開的，即輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_IDR 可讀取 I/O 的實際狀態(tài)。

4.3、復(fù)用功能（推挽/ / 開漏）

復(fù)用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏及推挽模式，但是輸出信號源于其它外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_ODR 無效；輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取 I/O 實際狀態(tài)，但一般直接用外設(shè)的寄存器來獲取該數(shù)據(jù)信號。

4.4、模擬輸入輸出（上下拉無影響）

模擬輸入輸出模式中，雙 MOS 管結(jié)構(gòu)被關(guān)閉，施密特觸發(fā)器停用，上/下拉也被禁止。其它外設(shè)通過模擬通道進(jìn)行輸入輸出。通過對 GPIO 寄存器寫入不同的參數(shù)，就可以改變 GPIO 的應(yīng)用模式，再強(qiáng)調(diào)一下，要了解具體寄存器時一定要查閱《STM32F1xx 參考手冊》中對應(yīng)外設(shè)的寄存器說明。在 GPIO 外設(shè)中，通過設(shè)置“端口配置寄存器 GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH”可配置 GPIO 的工作模式和輸出速度。CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低八位。