代码收藏家 STM32 GPIO端口全面解析
1、GPIO工作原理
1、GPIO工作原理
GPIO是通用输入输出端口（General-purpose input/output）的英文简写，是所有的微控制器必不可少的外设之一，可以由STM32直接驱动从而实现与外部设备通信、控制以及采集和捕获的功能。STM32单片机的GPIO被分为很多组，每组有16个引脚，不同型号的MCU的GPIO个数是不同的，比如STM32F103C8T6只有PA、PB以及个别PC引脚而STM32F103ZET6拥有PA~PG的全部112个引脚。所有的GPIO都有基本的输入输出功能，同时GPIO还可以作为其它的外设功能引脚。
作为STM32最基本的外设，GPIO最基本的输出功能是由STM32控制 引脚输出高低电平，比如可以把GPIO接LED灯来控制其亮灭，也可以接继电器或者三极管，通过继电器或三极管来控制外部大功率电路的通断。
GPIO最基本的输入功能是检测外部电平变化，比如把GPIO引脚连接到按键电路，通过电平的高低变化来识别按键是否被按下。
下图为GPIO的硬件结构框图，可以从这个框图中清晰的了解GPIO外设极其各种应用模式，最右端的I/O引脚就是STM32芯片引出的GPIO引脚，其它的部件都位于芯片内部。
1.1关于I/O输入口两个电阻
2、关于I/O输入口两个电阻
为了防止芯片被外部过高或者过低的输入电压烧坏，STM32内置两个保护二极管对输入电压进行限幅，当引脚输入电压高于VDD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，由于二极管是相对于vss电压的可以接收负的电压，这样就可以防止不正常的电压引入芯片导致芯片烧毁。(如下图所示)
1.2GPIO的八种输入输出模式
1.2GPIO的八种输入输出模式
STM32的GPIO共有8种工作模式，分别是输入模式的模拟输入、上拉输入、下拉输入和浮空输入以及输出模式的推挽输出、开漏输出、推挽复用输出和开漏复用输出，接下给大家一一介绍。
1.2.1浮空输入模式
1.2.1浮空输入模式
GPIO作为输入功能的浮空输入时，电信号使由外部流向内部的，从结构图的右侧往左侧看，信号流经顺序是①端口——②施密特触发器——③输入数据寄存器——④读取
1.2.2上拉输入模式
1.2.2上拉输入模式
上拉输入和浮空输入的区别就是在第①和第②之间多了一个上拉电阻，这样GPIO在没有连接外部部件时的默认电平是高电平，其它流程和原来一样。
1.2.3下拉输入模式
1.2.3下拉输入模式
下拉输入和浮空输入的区别就是在第①和第②之间多了一个下拉电阻，这样GPIO在没有连接外部部件时的默认电平是低电平，其它流程和原来一样。
1.2.4模拟输入模式
1.2.4模拟输入模式
模拟输入模式和其它三种输入模式不同，它的外部电平信号没有流入输入数据寄存器，而是直接流入模拟输入部分。模拟输入一般是用来ADC读取和转换的。
1.2.5开漏输出模式
1.2.5开漏输出模式
GPIO 的输出模式比输入模式复杂，首先看开漏输出模式，电平信号由STM32内部流出引脚，因此流向是①写（包括位设置/清除寄存器、输出数据寄存器）——②输出控制电路——③N-MOS管——④I/O端口
位设置/清除寄存器写入的值会映射到输出数据寄存器，最终到达输出控制电路，如果写入的是1，则N-MOS管关闭，由于N-MOS管截止，所以最后输出的电平不会由写入的1来决定，因此此时的输出为高阻态（类似浮空状态），真正的输出电压由外部的上下拉电阻来决定。它具有“线与”特性，也就是说，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。若写入0，则N-MOS管处于开启状态，输出电流被拉到VSS，因此可以输出强低电平。输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。
1.2.6开漏复用输出模式
1.2.6开漏复用输出模式
开漏复用输出和开漏输出的区别在于信号来源，复用的来源不是内部直接通过输出数据寄存器写的，而是由复用功能的外设决定的。
1.2.7推挽输出模式
1.2.7推挽输出模式
推挽输出模式和开漏输出模式有一定的区别，其控制输出的寄存器是一样的，但是②部分的写1有效，即输出控制电路输出1的时候，P-MOS管导通，N-MOS管截止，这样I/O口电平就会被P-MOS管拉高，输出强高电平；相反，当输出控制电路输出0时，P-MOS管截止，N-MOS管导通，I/O端口电平被N-MOS管拉低，输出强低电平。同样，输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。
1.2.8推挽复用输出模式
1.2.8推挽复用输出模式
推挽复用输出和推挽输出的区别在于信号来源，其信号来源是由复用功能相关的通信通道来控制。
1.3GPIO端口复用
1.3GPIO端口复用
为了最大限度的利用端口资源，STM32的大部分端口都具有复用功能。
所谓复用，就是一些端口不仅仅可以做为通用IO口，还可以复用为一些外设引脚，比如PA9,PA10可以复用为STM32的串口1引脚。复用情况可以查找数据手册。
1.4GPIO端口重映射
1.4GPIO端口重映射
为了方便布线 ，STM32配有端口重映射功能，所谓重映射就是可以把某些功能引脚映射到其他引脚。比如串口1默认引脚是PA9,PA10可以通过配置重映射映射到PB6,PB7。
端口的映射情况也可以通过查找数据手册来获得。
2、GPIO相关寄存器
2、GPIO相关寄存器
STM32的每组GPIO都包含7个寄存器，分别是：
- GPIOx_CRL :端口配置低寄存器
- GPIOx_CRH:端口配置高寄存器
- GPIOx_IDR:端口输入寄存器
- GPIOx_ODR:端口输出寄存器
- GPIOx_BSRR:端口位设置/清除寄存器
- GPIOx_BRR :端口位清除寄存器
- GPIOx_LCKR:端口配置锁存寄存器
每个I/O端口位可以自由编程，然而I/O端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问) 。
3、GPIO库函数的配置
3、GPIO库函数的配置
1、初始化函数：
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
作用：初始化一个或者多个IO口（同一组）的工作方式和速度。
GPIO_Init函数初始化样例：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO模式：
typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入
GPIO_Mode_IPD = 0x28, //输入下拉
GPIO_Mode_IPU = 0x48, //输入上拉
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //开漏复用输出
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //推挽复用输出
}GPIOMode_TypeDef;
GPIO输出速度：
typedef enum {
GPIO_Speed_10MHz,
GPIO_Speed_2MHz,
GPIO_Speed_50MHz
}
GPIOSpeed_TypeDef;
2、4个设置输出电平函数：
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
作用：设置某个IO口输出为高电平（1）。实际操作BSRR寄存器
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
作用：设置某个IO口输出为低电平（0）。实际操作的BRR寄存器。
3、2个读取输出电平函数：
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
4、2个读取输入电平函数：
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
作用：读取某组GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。
作者：慕北449
