代码收藏家 STM32 GPIO：一个详细解析
GPIO – 详解
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考
1、GPIO 是什么
GPIO（General-Purpose input/output）：通用输入输出端口的简称。是 外设 与 微控制器 （STM32等单片机）通信的通道，俗称 常用引脚。
2、STM32 引脚分类
STM32 芯片引脚可分为六种引脚： 电源管脚、晶振管脚、复位管脚、下载管脚、BOOT 管脚 和 GPIO 管脚 。
3、GPIO 内部结构
下图为 GPIO 的基本结构图：
接下来，就是对结构图各个模块进行分析了，Go
3.1 保护二极管
模块 1 ：为 保护二极管。防止引脚外部 过高 或 过低 的电压输入。
3.2 上下拉电阻
模块 2：为带有电阻开关的上下拉电阻。通过配置上下拉电阻开关，控制引脚的默认状态电平。
STM32 内部的上拉起始就是一个 弱上拉，即通过此上拉电阻输出的电流很小，如果想要输出一个大电流，那么就需要外接 上拉电阻 了。
浮空模式：将上拉和下拉的开关都关断。此模式下，引脚的电压是不确定的。
GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器控制的。因此 我们就可以明白 GPIO 八种工作模式的其中三种：
3.3 P-MOS 和 N-MOS
输出模式下，线路经过由 P-MOS 和 N-MOS管组成的单元电路。这让 GPIO 引脚具有了 推挽 和 开漏 两种输出模式。
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推挽 输出模式
推挽输出模式，是根据 P-MOS 和 N-MOS 管的 工作方式命名 的。
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在该结构单元 输入一个高电平时，P-MOS 管导通，N-MOS 管截止，对外输出高电平（3.3V）。
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在该结构单元 输入一个低电平时，P-MOS 管截止，N-MOS 管导通，对外输出低电平（0V）。
当引脚高低电平切换时，两个 MOS 管将轮流导通。一个负责灌电流（电流输出到负载），一个负责拉电流（负载电流流向芯片），使其 负载能力 和 开关速度 都比普通方式由很大的提高。下图为 推挽输出模式 的等效电路：
GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器控制。-
开漏 输出模式
开漏输出模式 时，不论输入是 高电平 还是 低电平，P-MOS 管总处于关闭状态。
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当输入 低电平 时，N-MOS 管导通，输出即为 低电平。
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当输入 高电平 时，N-MOS 管截止，这个时候引脚状态既不是高电平，也不是低电平，我们称之为 高阻态。
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如果想让引脚输出 高电平，那么引脚必须外接一个上拉电阻，由上拉电阻提供高电平。
开漏输出模式 等效电路，如下图所示：
开漏输出模式 一般应用在 I2C、SMBUS 通信等需要 ”线与“ 功能的总线电路中。还可以用在电平不匹配的场合中，就如上面说的输出 5V 一样。
因此 我们就可以明白 GPIO 八种工作模式的其中两种：
注：此处为什么在输出模式下，输入路上的 TTL 施密特触发器是处于开启状态呢 ？
GPIOx_IDR 来读取 I/O 的实际状态。3.4 输出数据寄存器
双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器 GPIOx_ODR”提供的。因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而**“（位设置/清除寄存器）置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”**可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。
3.5 复用输出功能
由于 STM32 的 GPIO 引脚具有第二引脚。因此当使用复用功能的时候，也就是通过其它外设复用功能输出信号与 GPIO 输出数据寄存器 一起通过梯形结构连接到双 MOS 管电路的输入，其中梯形结构是用来选择使用 复用功能 还是 普通 I/O 口功能。
例如：当使用 USART 串口通信时，需要用到某个 GPIO 引脚作为 通信发送引脚（此时为发送数据）。此时，就可以把这个 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚 发送数据。
由于输出模式分为 开漏输出 和 推挽输出。 我们就可以明白 GPIO 八种工作模式的其中两种：
3.6 输入数据寄存器
输入数据寄存器 是由 I/O 口经过上下拉电阻、TTL 施密特触发器引入。当信号经过 TTL 施密特触发器，模拟信号将变为数字信号“0”或“1”，然后存储在 输入数据寄存器 中。通过读取 输入数据寄存器 GPIOx_IDR 就可以知道 I/O 口的电平状态。
3.7 复用功能输入
此模式与 复用功能输出 类似。在 复用功能输入 模式时，GPIO 引脚的信号传输到 STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚的状态。
同样例如，我们使用 USART 串口通信时，需要用到某个 GPIO 引脚作为 通信接收引脚，此时就可把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能。从而使得 USART 可以通过该通信引脚接收远端数据。
3.3.5 复用功能输出 对应，有输出也有输入。3.8 模拟输入输出
当 GPIO 引脚设置为**“模拟输入”**时， 用于 ADC 采集电压的输入通道 。并且，此时信号时不经过 TTL 施密特触发器的。因为 经过 TTL 施密特触发器后信号只有 “0”和“1”两种状态，所以 ADC 作为外设要采集到原始的模拟信号时，其信号源输入必须在 TTL 施密特触发器之前。
当 GPIO 引脚设置为**”模拟输出“**时，用于 DAC 作为模拟电压输出通道。DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构了，模拟信号直接通过管脚输出。
我们就可以明白 GPIO 八种工作模式的其中一种：
4、GPIO 工作模式总结
通过 3. GPIO 内部结构 了解了 GPIO 内部的结构关系，决定了 GPIO 可以配置成以下几种模式：
4.1 输入模式（浮空、上拉、下拉、模拟）
GPIO 的输入工作模式 1 – 输入浮空模式：浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候可以使用这个模式。
（上拉下拉很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定）
GPIO 的输入工作模式 2 – 输入上拉模式
GPIO 的输入工作模式 3 – 输入下拉模式
GPIO 的输出工作模式 8 – 模拟模式：模拟输入则用于 ADC 采集。
GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。4.2 输出模式（推挽、开漏）
GPIO 的输出工作模式 4 – 推挽输出模式
GPIO 的输出工作模式 5 – 开漏输出模式
GPIOx_ODR 可控制 I/O 输出高低电平。GPIOx_IDR 可读取 I/O 的实际状态。4.3 复用功能（推挽、开漏）
GPIO 的输出工作模式 6 – 推挽复用输出模式
GPIO 的输出工作模式 7 – 开漏复用输出模式
GPIOx_ODR 无效。GPIOx_IDR 可获取 I/O 实际状态，但一般直接用 外设的寄存器 来获取该数据信号。4.4 模拟输入输出（上下拉无影响）
GPIO 的输出工作模式 8 – 模拟模式
GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH ”可配置 GPIO 的工作模式和输出速度。CRH 控制端口高八位，CRL 控制端口的低八位。5、GPIO 工作模式代码配置
GPIO_Mode_AIN // 模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING // 浮空输入
GPIO_Mode_IPD // 下拉输入
GPIO_Mode_IPU // 上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD // 开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP // 推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD // 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP // 复用推挽输出
typedef enum
{
GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空输入
GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉输入
GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 复用推挽输出
} GPIOMode_TypeDef;
6、GPIO 寄存器
GPIO 共有 10 个寄存器，分别为：
4 个 32 位配置寄存器 2 个 32 位数据寄存器 1 个 32 位置位/复位寄存器 1 个 32 位锁存寄存器 2 个 32 位复用功能寄存器
如下图：
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GPIOx_MODER 端口模式寄存器
- MODER：（Mode Register）
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GPIOx_OTYPER 端口输出类型寄存器
- OTYPER：（Output Type Register）
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GPIOx_OSPEEDR 输出速度寄存器
- OSPEEDR：（Output Speed Register）
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GPIOx_PUPDR 端口上拉/下拉寄存器
- PUPDR：（Pull Up & Pull Down Register）
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GPIOx_IDR 端口输入数据寄存器
- IDR：（Input Data Register）
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GPIOx_ODR 端口输出数据寄存器
- ODR：（Output Data Register）
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GPIOx_BSRR 端口置位/复位寄存器
- BSRR：（Bit Set Reset Register）
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GPIOx_LCKR 端口配置锁存寄存器
– LCKR：（Lock Register）
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GPIOx_AFRL、AFRH 复用功能寄存器
- AFRL：（Alternate Function Register Low）
- AFRH：（Alternate Function Register High）
- 高位 AFRH 和 地位 AFRL 分别控制 8 个 I/O 口，共 16 个 I/O 口。即如果一个 64 位数据会分配到这 16 个 I/O 口，那么 每个 I/O 口控制 4 个位。
7、总结
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);
8、参考
【2】嵌入式单片机基础篇（一）之stm32F1GPIO详解_lostlll的博客-CSDN博客
【3】RCC_APB2Periph_AFIO的理解。。。重映射的一点心得 – Cold_water – 博客园 (cnblogs.com)
【5】STM32学习——GPIO_m0_65734791的博客-CSDN博客_stm32引脚分类
【6】(1条消息) STM32外设之GPIO的推挽输出和开漏输出模式详解_SlowIsFastLemon的博客-CSDN博客_stm32 开漏输出
