代码收藏家技术教程 2024-10-06

STM32 GPIO功能详解及使用方法介绍

在 STM32 微控制器中，GPIO（General Purpose Input Output，通用输入输出端口）是非常重要且常用的模块，它允许与外部设备进行数据的输入和输出交互。

一、GPIO 的基本概念

GPIO 全称通用输入输出端口，其主要功能是采集外部器件的信息或者控制外部器件工作，也就是实现输入和输出操作。不同型号的 STM32 芯片，其 IO 口数量可能有所不同，具体可通过选型手册快速查询。STM32 的 GPIO 具有一些显著特点，比如能够快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期（F1 最高速度可以到 50MHz），并且每个 IO 口都可以配置为中断功能，此外还支持 8 种不同的工作模式1。

二、GPIO 的电气特性

STM32 的工作电压一般为 2V ≤ VDD ≤ 3.6V。对于 GPIO 的识别范围，以 CMOS 端口为例，输入低电平电压范围为 -0.3V ≤ VIL ≤ 1.164V，输入高电平电压范围为 1.833V ≤ VIH ≤ 3.6V。在输出电流方面，单个 GPIO 最大可达 25mA1。

三、STM32F4 端口结构

以 STM32F4 系列为例，其端口结构主要包含以下部分1：

保护二极管：用于保护接入电路的电压不会超过可承受的范围，防止过高或过低的电压对芯片造成损坏。

上下拉电阻：通常阻值在 30 – 50kΩ，属于弱上下拉（电流很小，不具备驱动能力）。上拉电阻可使 IO 口默认状态为高电平，下拉电阻可使 IO 口默认状态为低电平。例如，在输入模式下，若设置为上拉输入，当外部没有输入信号时，IO 口呈现高电平；若设置为下拉输入，在无外部输入时，IO 口为低电平。

施密特触发器：这是一种整形电路，能够将非标准方波整形成方波。它具有以下特性：当输入电压高于正向阈值电压时，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压时，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间时，输出不改变。施密特触发器的存在使得输入信号更加稳定，能有效减少噪声和干扰对信号的影响。

P-MOS 和 N-MOS 管：MOS 管是压控型元件，通过控制栅源电压（Vgs）来实现导通或关闭。对于 P-MOS，当 Vgs <0 时导通；对于 N-MOS，当 Vgs> 0 时导通。在输出模式中，根据不同的工作模式，P-MOS 和 N-MOS 管会相应地导通或截止，以实现不同的输出逻辑。

四、GPIO 的 8 种工作模式

输入浮空：
电路状态：上拉 / 下拉电阻断开，施密特触发器打开，输出被禁止，P-MOS 和 N-MOS 管不导通。
适用场景：IO 口的电平完全由外部电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他设备，那么检测其输入电平是不确定的。此模式可用于检测外部引脚电平的情况，比如按键检测，但更常用的方法是设置为输入下拉或者上拉模式。
输入上拉：
电路状态：上拉电阻接通，下拉电阻断开，施密特触发器打开，输出被禁止，P-MOS 和 N-MOS 管不导通。
适用场景：IO 口的电平默认状态为高电平，但外部有低电平输入的时候仍可以被读取到。
输入下拉：
电路状态：上拉电阻断开，下拉电阻接通，施密特触发器打开，输出被禁止，P-MOS 和 N-MOS 管不导通。
适用场景：IO 口的电平默认状态为低电平，当外部有高电平输入的时候可以被读取到。
模拟功能：
电路状态：上拉 / 下拉电阻断开，施密特触发器关闭，输出被禁止，P-MOS 和 N-MOS 管不导通。
适用场景：该模式用于 ADC 采集或者 DAC 输出，或者在低功耗情况下省电。
开漏输出：
电路状态：上拉 / 下拉电阻根据寄存器的值决定是否导通，施密特触发器打开，可以通过数据寄存器访问 IO 状态，P-MOS 管始终不激活，输出寄存器中输入 0 会激活 N-MOS 管。
特点和适用场景：开漏输出只能输出低电平（VSS）或者高阻态。常用于软件 IIC 的 SDA、SCL 等。在开漏输出模式下，具有 “线与” 特性，即如果有多个开漏模式的引脚连在一起，只有当所有引脚都输出高阻态时，电平才为 1，只要有其中一个为低电平，总线就为低电平 0。并且，在该模式下，施密特触发器是打开的，所以可以读取 IO 口的电平状态。若要使 IO 引脚输出高电平，必须接上拉电阻，可选择内部上拉电阻（阻值较大，为 “弱上拉”）或外接一个外部上拉电阻（用于需要大电流驱动的情况）。
推挽输出：
电路状态：上拉 / 下拉电阻根据寄存器的值决定是否导通，施密特触发器打开，可以通过数据寄存器访问 IO 状态，P-MOS 管和 N-MOS 管通过输出寄存器的值来决定是否导通。
特点和适用场景：可以输出高电平和低电平，最大输出电流可达 25mA，常用于驱动一些外设，如 LED 灯等。推挽输出模式下，P-MOS 管和 N-MOS 管同一时间只能有一个导通，当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大提高。
开漏式复用功能：
电路状态：上拉 / 下拉电阻根据寄存器的值决定是否导通，施密特触发器打开，可以通过数据寄存器访问 IO 状态，P-MOS 管始终不激活，引脚的状态由外设决定，输出寄存器中输入 0 会激活 N-MOS 管。
适用场景：用于片上外设功能，如硬件 IIC 的 SDA、SCL 引脚等。
推挽式复用功能：
电路状态：上拉 / 下拉电阻根据寄存器的值决定是否导通，施密特触发器打开，可以通过数据寄存器访问 IO 状态，P-MOS 管和 N-MOS 管通过外设来决定是否导通。
适用场景：用于片上外设功能，如 SPI 的 SCK、MISO、MOSI 引脚等。

五、GPIO 的寄存器配置

每个 GPIO 口都有多个寄存器来控制其功能和状态，常见的寄存器包括23：

配置模式的端口配置寄存器（如 CRL 和 CRH）：用于配置 GPIO 口的工作模式（输入、输出、复用等）以及输出速度等参数。例如，通过设置 CRL 和 CRH 寄存器的相应位，可以将 GPIO 口配置为输入浮空模式、输入上拉模式、输出推挽模式等。

数据寄存器（如 IDR 和 ODR）：IDR 用于读取 GPIO 口的输入电平状态，ODR 用于设置 GPIO 口的输出电平状态。例如，要读取某个 GPIO 口的输入电平，可读取 IDR 寄存器中对应的位；要设置某个 GPIO 口输出高电平或低电平，可通过设置 ODR 寄存器中对应的位来实现。

置位 / 复位寄存器（如 BSRR）：可以通过该寄存器对 GPIO 口的某些位进行置位（设置为 1）或复位（设置为 0）操作，而不影响其他位的状态。这在需要快速改变某些 GPIO 口的输出状态时非常有用。

复位寄存器（如 BRR）：专门用于对 GPIO 口的某些位进行复位操作，即设置为 0。

锁存寄存器（如 LCKR）：用于锁定 GPIO 口的配置，防止意外修改。

通过合理配置这些寄存器，就可以实现对 GPIO 口的各种功能和工作模式的设置，以满足不同的应用需求。

总之，STM32 的 GPIO 功能丰富且灵活，通过对其深入了解和正确配置，可以实现与各种外部设备的高效通信和控制，是 STM32 开发中不可或缺的重要部分。在实际应用中，需要根据具体的项目需求和硬件连接情况，选择合适的 GPIO 工作模式和配置相应的寄存器，以确保系统的正常运行和稳定性能。

作者：jee10