【STM32】GPIO内部电路工作原理详解

前言

笔者近日在B站刷到了一个视频，使我对GPIO的I/O口内部基本结构以及工作原理有了恍然大明白的理解，现在对此做一个总结，并为大家推荐该视频Keysking

【STM32】GPIO内部电路原理

GPIO内部结构概览

结构关系图如下图所示

GPIO内部结构详解

保护电路

PS：
当I/O口为FT 5V容忍时，其上方保护二极管电压Vdd = 5V
保护二极管不能长期导通，否则会烧坏保护二极管。所以保护电路只能抵御一瞬间的电压波动，较长时间的电压波动仍会损坏芯片

输出电路

推挽输出

流程图：
代码 –> 寄存器 –> 输出控制器 –> 控制P-MOS/N-MOS的导通与断开 –> 输出的电压

分类讨论：
SET置1：P-MOS导通 N-MOS断开 芯片输出3.3V（此电压由芯片输出，所以推挽输出有驱动能力
RESET置0：P-MOS断开 N-MOS导通 芯片输出0V

开漏输出

前提：在开漏输出下，P-MOS一直断开，所以在图上我直接将其删去以简化单路

以I/O口外接工作电压为5v的小灯泡为例
开漏输出更像是一个电子开关，小灯泡的工作电压由小灯泡外接的5V提供（注意，此I/O口需5V容忍）。因为电压由外部提供，所以开漏输出无驱动能力（他只是个电子开关 不提供电压 所以当然没驱动能力）

分类讨论：
SET置1：N-MOS导通 电路通路 小灯泡电压由外部5V提供 灯亮
RESET置0：N-MOS断开 电路内部高阻态 电路断路 无电流 灯灭

所以，开漏输出的高电平实际是高阻态 无法输出电流 无驱动能力

输入电路

上下拉电阻：
Pull-up上拉：开关1闭合，I/O引脚内部上拉
Pull-down下拉：开关2闭合，I/O引脚内部下拉
不上拉也不下拉：开关1、2均不闭合，I/O引脚内部浮空 电平不确定
PS：I/O口输入可以配置内部的上下拉电阻，为硬件功能实现提供了更多的可能（比如KEY按键模块中，如果KEY模块没有配置外部的上拉电阻，则可以通过自行配置内部的上下拉电阻来实现功能。具体请参考B站

TTL肖特基触发器：
实际上是模拟电压 –> 数字电压

高低参考电压之间，维持原本电平信号不变，以此来抗噪声

PS:
Q：为什么没有复用输入模式？
A：因为复用功能输入与通用功能输入可以同时读取施密特触发器的输

总结

对于GPIO内部结构而言，通过不同的配置可以完成不同的输入输出功能
输出：
代码 –> 寄存器 –> 输出控制模块 –> 控制P-MOS与N-MOS的导通与断开情况 –> 推挽/开漏输出
输入：
I/O口输入模拟电压 –> 上下拉电阻 –> 施密特触发器 –> 数字电压 –> 存储到输入数据寄存器

参考资料

GPIO内部的那些事儿_Keysking

作者：Abaaba+