代码收藏家技术教程 2024-12-12

STM32的GPIO片上外设

一、STM32的片上外设

片上外设是集成在 MCU 芯片内部的硬件模块，它们通过片内总线与 CPU 直接通信，而不是通过外部引脚或接口连接的设备。

片上外设：

包括 UART、I2C、SPI、ADC、定时器、GPIO、DMA、RTC 等集成在 MCU 内部的模块。

这些外设通过 MCU 内部的总线系统与 CPU 核心连接，并不需要外部连接

不是片上外设：

外部传感器、存储器、显示设备、通信模块、电机驱动器等。这些外设通过 I2C、SPI、UART、GPIO 等接口与 MCU 连接，并不属于 MCU 芯片的一部分。

二、STM32中的GPIO

详细理解 STM32 的 GPIO（通用输入输出，General-Purpose Input/Output）。GPIO 是嵌入式系统中非常重要的一个模块，几乎所有的 MCU 都会有 GPIO 功能，因为它们负责与外部世界（传感器、按钮、LED 等）进行交互。

GPIO有3种状态，高电平状态、低电平状态、高组态(浮空态)

1. 什么是 GPIO？

GPIO 是 MCU 上的引脚，可以根据配置用来作为输入或者输出。每个 GPIO 引脚可以独立配置为：

输入：读取外部设备的状态（如按钮、传感器信号）。

输出：向外部设备提供电平信号（如控制 LED、继电器）。

复用功能：有时 GPIO 引脚会被用来复用片上外设（如 UART、SPI、I2C 等）功能。

模拟功能：GPIO 引脚也可以作为模拟输入，用于 ADC（模数转换）等操作。

这张图给出了一个I/O端口位的基本结构。

2、输入模式：

1. 输入模式下的电路工作

当 GPIO 引脚配置为 输入模式 时，输入数据来自外部设备（例如开关、传感器等），我们通过 MCU 的 GPIO 引脚读取外部信号的状态（高电平或低电平）。在这种模式下：

主要工作部分：输入路径（即图中上半部分）。

上半部分电路中的输入缓冲器、电平转换器和上拉/下拉电阻等相关电路在输入模式下起作用，负责检测并处理外部信号。

这些电路会根据外部信号的电压（高或低），通过输入寄存器（IDR）将信号传送到 MCU 内部。

下半部分的输出电路不会起作用：当引脚处于输入模式时，下半部分的 P-MOS 和 N-MOS 输出控制电路被禁用。换句话说，在输入模式下，输出控制电路与输入信号无关，不影响输入电路的工作。

2. 输入模式的工作原理

当 GPIO 配置为 输入模式 时，引脚用于接收外部信号。这时，MCU 通过 GPIO 引脚读取外部设备的信号状态（高电平或低电平），这些信号可能来自按钮、传感器或其他输入设备。

3.输入模式下的工作流程：

外部信号进入 GPIO 引脚：
外部电路会给 GPIO 引脚施加电压，这个电压通常是 高电平 或 低电平。
例如，当你按下一个按钮，按钮会让引脚变为低电平；当按钮释放时，引脚通过上拉电阻保持高电平。
GPIO 读取引脚电平：
GPIO 内部的 输入缓冲器 负责读取引脚上的电压状态，并将其传递给 输入寄存器（IDR）。
MCU 程序可以通过读取输入数据寄存器（IDR）来获取引脚的当前状态（高或低）。
上拉/下拉电阻的作用：
在输入模式下，GPIO 引脚可以选择通过内部的上拉或下拉电阻来稳定信号：
上拉电阻：将引脚默认拉高到 V_DD（高电平），适用于开关、按钮等场景。如果引脚悬空，输入会保持高电平。
下拉电阻：将引脚默认拉低到 V_SS（低电平），适用于需要默认低电平的输入信号。

3、输出模式：

1、输出模式下的电路工作

当 GPIO 引脚配置为 输出模式 时，引脚用来向外部设备发送高电平或低电平信号（例如点亮 LED、驱动继电器等）。在这种模式下：

主要工作部分：输出路径（即图中下半部分）。

下半部分电路中的 P-MOS 和 N-MOS 控制晶体管在输出模式下工作，用于控制引脚的电平（高电平或低电平）。

具体来说，在推挽输出模式下，P-MOS 和 N-MOS 会根据 GPIO 输出寄存器（ODR）的设置，交替导通或关闭，从而驱动引脚输出高电平或低电平。

上半部分的输入电路不会起作用：当引脚处于输出模式时，上半部分的输入电路被禁用。这意味着 TTL 触发器和输入相关的电路不会影响输出信号

2. 输出模式的工作原理

当 GPIO 配置为 输出模式 时，GPIO 引脚用于向外部设备（如 LED、继电器等）发送高电平或低电平信号。

3.输出模式下的工作流程：

MCU 通过寄存器设置输出状态：
MCU 程序通过设置 输出数据寄存器（ODR） 来控制引脚的电平状态。
当 ODR 设置为 1 时，引脚输出高电平（V_DD）。
当 ODR 设置为 0 时，引脚输出低电平（V_SS，地）。
GPIO 驱动电路的工作：
在 推挽输出模式 下：
P-MOS 导通（N-MOS 关闭），引脚与 V_DD 相连，输出高电平。
N-MOS 导通（P-MOS 关闭），引脚与 V_SS 相连，输出低电平。
在 开漏输出模式 下：
N-MOS 控制引脚，N-MOS 导通时输出低电平；N-MOS 关闭时，引脚进入高阻态，无法主动输出高电平，需要外部上拉电阻将引脚拉高。
外部设备接收信号：
外部设备（如 LED、继电器等）通过 GPIO 引脚接收电平信号，并做出响应。
例如，输出高电平时 LED 会点亮，输出低电平时 LED 会熄灭。

1. 输入部分

输入浮空模式：

在浮空输入模式下，输入引脚没有上拉或下拉电阻。此时，图中的输入路径是打开的（“输入驱动器”工作），但由于没有内部电阻，电平是不确定的，依赖于外部电路施加的电压。引脚处于高阻状态，电压漂浮，容易受到噪声影响。

输入上拉模式：

这时引脚通过图中显示的内部上拉电阻（位于 I/O 引脚右侧）拉到高电平。即使外部没有施加电压，内部上拉电阻将引脚拉高，输入电平会默认变为逻辑高电平（V_DD）。当外部电压拉低时，电平变为低。

输入下拉模式：

类似于上拉模式，但这时内部电路中启用了下拉电阻。图中未明确展示下拉电阻，但在 STM32 的实现中，引脚通过下拉电阻连接到地 (V_SS)，此时引脚默认电平是逻辑低电平。外部电压施加高电平时，可以改变引脚状态。

模拟输入模式：

模拟输入模式主要用于 ADC（模拟数字转换），输入电压通过图中的输入路径直接传输到 ADC 模块。此时，输入电路不再工作为数字电平检测，而是作为模拟信号的采样通道。

2. 输出部分

推挽输出模式：

在推挽模式下，P-MOS 和 N-MOS 开关交替工作。
高电平：当 P-MOS 导通（如图中显示的 P-MOS 控制线路通向 V_DD），引脚被直接连接到高电平（V_DD），引脚输出逻辑 1。

低电平：当 N-MOS 导通，引脚被连接到低电平（V_SS），输出逻辑 0。

这就是所谓的“推”和“挽”——推电流到引脚（高电平），或将引脚拉到地（低电平），适用于大部分输出场景，如控制 LED、电机等。

开漏输出模式：

在开漏模式下，只有 N-MOS 开关工作（P-MOS 不工作）。
低电平：N-MOS 导通时，引脚连接到地，输出低电平（逻辑 0）。

高阻态（浮空）：当 N-MOS 关闭时，引脚被断开（高阻状态），不主动输出高电平。此时，若外部有上拉电阻（如图中的外部上拉电阻），引脚会通过外部电路被拉到高电平。

这种模式常用于像 I2C 这种总线协议，多个设备共享一条信号线。设备只负责拉低信号，而高电平由外部上拉电阻提供。

推挽复用输出：
当 GPIO 被配置为某个外设（如 UART），复用功能控制引脚的电平，推挽模式仍然有效。引脚可以在外设的控制下输出高电平或低电平。

开漏复用输出：
这个模式常用于像 I2C 通信协议。外设控制引脚的开漏输出，在这种模式下，引脚输出低电平由 N-MOS 驱动，而高电平依赖外部上拉电阻。