GPIO详解-以STM32F103 为例

GPIO是通用输入/输出端口的简称，是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

几点需要注意的地方：

1. 保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于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，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

2.2 GPIO工作模式

GPIO支持4种输入模式(浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入)和4种输出模式(开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出)。同时，GPIO还支持三种最大翻转速度(2MHz、10MHz、50MHz)。

• 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

3.1 输入模式

3.1.1 浮空输入

3.1.2 上拉输入

3.1.3 下拉输入

下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下，输入端的电平可以保持在低电平;并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。

3.1.4 模拟输入

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号(电压信号，而非电平信号)直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。

3.2 输出模式

3.2.1 开漏输出

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。

这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由前面设置输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定;

当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;

注意，读取到的I/O端口的电平不一定是设置的输出电平。

3.2.2 开漏复用功能

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

3.2.3 推挽式输出

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管。

当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平;

当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

3.2.4 推挽式复用功能

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

推挽输出等效电路图

开漏输出等效电路图

开漏输出的工作原理是：若要输出低电平，则N-MOS管导通，输出接地，输出低电平。若要输出高电平时，N-MOS管关闭，则既不输出高电平又不输出低电平，为高阻态。所以，需要外接上拉电阻，让上拉电阻提供高电平的驱动能力。因为内部管脚为高阻状态，所以，其具有“线与”特性，即将多个开漏极直接直接相连，只有所有的开漏极都是高阻状态，输出才为高电平，否则，为低电平。

4.2 开漏输出的特点

开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经Rpull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻的阻 决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻 越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度)。

3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

4. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C、SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

4.3 “线与”

因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS)，晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑。

其实可以简单地理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。