STM32的GPIO介紹

GPIO是通用輸入/輸出端口的簡稱，是STM32可控制的引腳。GPIO的引腳與外部硬件設備連接，可實現與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數據的功能。

STM32F103ZET6芯片為144腳芯片，包括7個通用目的的輸入/輸出口（GPIO）組，分別為GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同時每組GPIO口組有16個GPIO口。通常簡略稱為PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x為0-15。

STM32的大部分引腳除了當GPIO使用之外，還可以復用為外設功能引腳（比如串口），這部分在【STM32】STM32端口復用和重映射（AFIO輔助功能時鐘）中有詳細的介紹。

GPIO基本結構

每個GPIO內部都有這樣的一個電路結構，這個結構在本文下面會具體介紹。

電路圖分析

保護二極管：IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入。當引腳電壓高于VDD時，上方的二極管導通；當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀。但是盡管如此，還是不能直接外接大功率器件，須加大功率及隔離電路驅動，防止燒壞芯片或者外接器件無法正常工作。
P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式。這里的電路會在下面很詳細地分析到。
TTL肖特基觸發器：信號經過觸發器后，模擬信號轉化為0和1的數字信號。但是，當GPIO引腳作為ADC采集電壓的輸入通道時，用其“模擬輸入”功能，此時信號不再經過觸發器進行TTL電平轉換。ADC外設要采集到的原始的模擬信號。
這里需要注意的是，在查看《STM32中文參考手冊V10》中的GPIO的表格時，會看到有“FT”一列，這代表著這個GPIO口時兼容3.3V和5V的；如果沒有標注“FT”，就代表著不兼容5V。

STM32的GPIO工作方式

GPIO支持4種輸入模式（浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入）和4種輸出模式（開漏輸出、開漏復用輸出、推挽輸出、推挽復用輸出）。同時，GPIO還支持三種最大翻轉速度（2MHz、10MHz、50MHz）。每個I/O口可以自由編程，但I/O口寄存器必須按32位字被訪問。

GPIO的八種工作方式

浮空輸入模式（浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。也就是說，I/O的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無信號輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。）

上拉輸入模式（上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在高電平；并且在I/O端口輸入為低電平的時候，輸入端的電平也還是低電平。）

下拉輸入模式（下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在低電平；并且在I/O端口輸入為高電平的時候，輸入端的電平也還是高電平。）

模擬輸入模式（模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號（電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，比如ADC模塊等等。）

開漏輸出模式（開漏輸出模式下，通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數據寄存器的值，途經N-MOS管，最終輸出到I/O端口。這里要注意N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，N-MOS管處于關閉狀態，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高低電平決定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定；當設置輸出的值為低電平的時候，N-MOS管處于開啟狀態，此時I/O端口的電平就是低電平。同時，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀取；注意，I/O端口的電平不一定是輸出的電平。）

開漏復用輸出模式（開漏復用輸出模式，與開漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數據寄存器，取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。）

推挽輸出模式（推挽輸出模式下，通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數據寄存器的值，途經P-MOS管和N-MOS管，最終輸出到I/O端口。這里要注意P-MOS管和N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，P-MOS管處于開啟狀態，N-MOS管處于關閉狀態，此時I/O端口的電平就由P-MOS管決定：高電平；當設置輸出的值為低電平的時候，P-MOS管處于關閉狀態，N-MOS管處于開啟狀態，此時I/O端口的電平就由N-MOS管決定：低電平。同時，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀取；注意，此時I/O端口的電平一定是輸出的電平。）

推挽復用輸出模式（推挽復用輸出模式，與推挽輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數據寄存器，取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。）

什么是推挽結構和推挽電路？

推挽結構一般是指兩個參數相同的三極管或MOS管分別受兩互補信號的控制，總是在一個三極管或MOS管導通的時候另一個截止。高低電平由輸出電平決定。

推挽電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負責正負半周的波形放大任務。電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

開漏輸出和推挽輸出的區別？

開漏輸出：只可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極。適合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)；

推挽輸出:可以輸出強高、低電平，連接數字器件。

關于推挽輸出和開漏輸出，最后用一幅最簡單的圖形來概括：

該圖中左邊的便是推挽輸出模式，其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。

STM32中的I/O模式

審核編輯 ：李倩