請(qǐng)問(wèn)MCU是如何實(shí)現(xiàn)IO口的輸入輸出控制的？

GPIO（General Port Input&Output）通用輸入輸出接口，MCU各個(gè)管腳對(duì)外交互最根本的單位。GPIO的對(duì)于嵌入式就像Hello world之于各種語(yǔ)言同等重要，都是打開(kāi)這扇門的第一步?？催^(guò)一個(gè)比較有意思的比喻：人類的技術(shù)發(fā)展其本質(zhì)就是燒水，從蒸汽機(jī)燒水到現(xiàn)在核裝置燒水。那么同樣的MCU的各類應(yīng)用，其本質(zhì)就是對(duì)IO口的各種花樣電平翻轉(zhuǎn)，CAN/I2C/SPI/ETH/SDIO/USB等等外設(shè)使用的第一步都是對(duì)其對(duì)應(yīng)的IO管腳進(jìn)行配置。掌握GPIO的特性，大家就能say hello to the embedded world。

本篇文章是以ST CortexM系列的芯片文檔作為范例講解，主要闡述MCU是如何實(shí)現(xiàn)IO口的輸入輸出控制的, GPIO的一些屬性介紹等，希望大家在閱讀完本文后能夠大致知曉GPIO的特性，并對(duì)往后的開(kāi)發(fā)/學(xué)習(xí)能有所幫助。

首先是IO口的類型，重點(diǎn)需要區(qū)分的是TTa/TC（標(biāo)準(zhǔn)3.3V IO口）與FT類型，它們最大的區(qū)別是耐受電壓分別為3.3V與5V的區(qū)別，關(guān)于這一點(diǎn)，一般主要是硬件工程師在IO口的選擇上需要做好區(qū)分。主要的IO描述如下圖所示：

TTa/TC類型與FT類型的構(gòu)成基本一致，主要差異如下圖紅框所示

TTa/TC類型

FT類型

如上圖可見(jiàn)GPIO的基本框架TTa/TC/FT都是一致的，接下來(lái)我們將詳細(xì)的講解一下GPIO是如何實(shí)現(xiàn)輸入與輸出，什么是開(kāi)漏輸出與推挽輸出，什么是管腳復(fù)用功能。

如下圖所示，我們按功能將GPIO功能框架分別標(biāo)號(hào)以及標(biāo)注顏色進(jìn)行區(qū)分。

（1）引腳處兩個(gè)保護(hù)二極管用以防止有過(guò)高或者過(guò)低的電壓輸入導(dǎo)致內(nèi)部損壞，當(dāng)外部電壓高于VDD_FT時(shí)，上方二極管導(dǎo)通；當(dāng)外部電壓低于VSS時(shí)下方二級(jí)管導(dǎo)通。IO口的驅(qū)動(dòng)能力比較弱，只能作為一些發(fā)光二極管或者驅(qū)動(dòng)三極管開(kāi)關(guān)控制，不可直接驅(qū)動(dòng)功率設(shè)備。通常IO口的狀態(tài)有3種，PullUp（上拉）/Pulldown（下拉）/Floating（浮空），上拉即接通VDD/下拉即接通Vss，浮空的話即不處于上拉也不處于下拉，一般在初始配置時(shí)在PP和PD中選取一個(gè)較為合適。

（2） IO口進(jìn)入框架后根據(jù)輸入與輸出功能分為兩部分走向，（2）部分即配置為輸出時(shí)的IO連接部分。根據(jù)P-MOS和N-MOS的控制結(jié)構(gòu)，輸出模式主要可配置為推挽模式和開(kāi)漏模式。

首先簡(jiǎn)介一下推挽模式，等效電路如下所示。當(dāng)IN為1的時(shí)候，P-MOS導(dǎo)通，N- MOS關(guān)閉，此時(shí)有VDD對(duì)外灌電流（電流較?。@示有3.3V電壓輸出；當(dāng)IN為0時(shí)，P-MOS關(guān)閉，N-MOS導(dǎo)通，此時(shí)表現(xiàn)為拉電流，將外部接入GND。這一推一拉就形象地解釋了為什么稱其為推挽模式。

開(kāi)漏模式的等效電路如下圖所示，當(dāng)GPIO配置為開(kāi)漏模式時(shí)，P-MOS不參與工作。當(dāng)IN為1的時(shí)候，P-MOS/N-MOS都不工作，此時(shí)既不輸出高電平也不輸出低電平，IO呈現(xiàn)出高阻態(tài)；當(dāng)IN輸出0時(shí)，則N-MOS導(dǎo)通，使得外部接入GND。為了開(kāi)漏模式下能夠正常運(yùn)行，需要接入上拉電阻，雖然MCU內(nèi)具有上拉電阻，但為了正常使用，需要外部電路設(shè)計(jì)，開(kāi)漏模式下IO添加上拉電阻。常見(jiàn)的I2C/SPI一些通訊應(yīng)用會(huì)將IO配置為開(kāi)漏模式。

（3）該部分的控制信號(hào)通常就是純粹的IO控制，通過(guò)修改MCU內(nèi)的GPIO輸出寄存器控制GPIO的拉高拉低

（4）復(fù)用功能輸出即控制信號(hào)時(shí)來(lái)自其他模塊，類似于充當(dāng)UART- TX，CAN- TX等發(fā)送接口。

（5）純粹的IO輸入狀態(tài)，輸入為高電平即為1，輸入低電平即為0，狀態(tài)會(huì)更新在MCU內(nèi)部的GPIO輸入寄存器中.

（6）即復(fù)用為其他模塊的輸入，類似于UART- RX，CAN- RX等

（7）當(dāng)管腳配置為模擬時(shí)，將會(huì)禁用GPIO模塊TTL施密特觸發(fā)器/P- MOS/N-MOS/上下拉電阻，此時(shí)的輸入輸出都由模擬通道來(lái)進(jìn)行，輸入即是ADC/輸出即是DAC。

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上拉電阻(30232) 上拉電阻(30232)
發(fā)光二極管(65563) 發(fā)光二極管(65563)
GPIO(50399) GPIO(50399)
MCU控制器(6814) MCU控制器(6814)
推挽輸出(6446) 推挽輸出(6446)

評(píng)論

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2009-11-21 14:06:02

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視頻打印機(jī)的輸入輸出

視頻打印機(jī)的輸入輸出 輸入輸出指的是產(chǎn)品輸入輸出視頻信號(hào)的端口，比較常見(jiàn)的是S端子和復(fù)合視頻端口。

2009-12-31 10:38:28

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車載功放的RCA輸入輸出

車載功放的RCA輸入輸出 RCA輸入輸出是車載功放最主要的音頻輸入和輸出接口，當(dāng)然還有其他接線柱等

2010-01-04 11:20:55

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開(kāi)關(guān)控制LED（輸入輸出概念）

慧凈HL-1 配套C實(shí)驗(yàn)例程100例【實(shí)驗(yàn)13】開(kāi)關(guān)控制LED（輸入輸出概念）），很好的C51學(xué)習(xí)資料程序。

2016-03-21 16:56:31

變頻器SVPWM整流輸入輸出解耦控制研究

變頻器SVPWM整流輸入輸出解耦控制研究

2016-04-15 17:49:14

字符串的輸入輸出及相關(guān)函數(shù)

字符串的輸入輸出及相關(guān)函數(shù)

2017-09-14 11:52:45

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基于MELSEC iQ-R輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)

輸入輸出模塊也稱為控制模塊，在有控制要求時(shí)可以輸出信號(hào)，或者提供一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，使被控設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)可以接收設(shè)備的反饋信號(hào)，以向主機(jī)報(bào)告，是火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中重要的組成部分，市場(chǎng)上的輸入輸出

2017-09-26 17:49:20

什么是輸入輸出模塊_輸入輸出模塊有什么作用

2018-05-21 10:28:16

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pid控制器的輸入輸出_PID控制器的控制實(shí)現(xiàn)

本文首先介紹的是PID控制器的工作原理，其次介紹的是pid控制器的輸入輸出，最后介紹了PID控制器的參數(shù)整定以及PID控制器的控制實(shí)現(xiàn)，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

2018-06-01 09:09:01

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介紹Studio6.2原理的輸入輸出

電路原理圖上輸入輸出的基本流程

2018-07-09 03:03:00

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AVR單片機(jī)輸入輸出與IO設(shè)置的代碼詳細(xì)資料免費(fèi)下載

本文檔的主要內(nèi)容詳細(xì)介紹的是AVR單片機(jī)輸入輸出與IO設(shè)置的代碼詳細(xì)資料免費(fèi)下載。

2018-11-12 08:00:00

使用Labview編程完成計(jì)數(shù)器/IO輸入/輸出編程

使用Labview編程完成計(jì)數(shù)器輸入，IO輸入輸出編程！

2019-08-05 06:01:00

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開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊

MLK-6DI4DO 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊是脈聯(lián)公司針對(duì)設(shè)備狀態(tài)與控制監(jiān)測(cè)的裝置。廣泛應(yīng)用于電力、IDC機(jī)房、工業(yè)、智慧城市、樓宇等各個(gè)行業(yè)，被眾多系統(tǒng)集成商和自動(dòng)化公司、研究機(jī)構(gòu)采用

2020-05-11 14:28:57

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開(kāi)關(guān)量輸入輸出

2020-05-11 15:21:49

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STM32_ USART輸入輸出的講解

STM32_USART輸入輸出的講解

2020-04-08 10:46:26

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給大家分享一個(gè)非常簡(jiǎn)單的IO輸入輸出框架

在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，可能存在許多輸入或輸出的IO口，輸入有霍爾傳感器、紅外對(duì)管等，輸出有LED、電源控制開(kāi)關(guān)等。如果說(shuō)硬件可以一次成型，那么隨便一份代碼都可以完成IO的配置工作，但研發(fā)階段的產(chǎn)品

2021-07-23 10:45:31

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MCU之GPIO輸入輸出

導(dǎo)讀： MCU芯片中GPIO口的驅(qū)動(dòng)方式大的可分為輸出和輸入兩類，小的分可以分為8種。一、四種輸入方式①上拉輸入：上拉輸入抗干擾能力強(qiáng)，特別適合接地信號(hào)的輸入（比如低電平有效的按鍵信號(hào)輸入

2021-10-25 11:51:13

MCU通用輸入輸出端口(GPIO)輸出模式

對(duì)于常規(guī)MCU，通用輸入輸出（GPIO）是其最基本、最常用的功能，用于實(shí)現(xiàn)最基本的數(shù)字量輸入和輸出。信號(hào)一般為：以3.3VDC為高電平的LTTL電平以5.0VDC為高電平的TTL電平。一般

2021-10-28 19:06:11

單片機(jī)IO口輸入輸出模式判斷

要判斷單片機(jī)IO口輸入輸出模式，是要判斷單片機(jī)的IO口電平由誰(shuí)決定的，看是由單片機(jī)決定還是外電路決定的。1、如果判斷單片機(jī)的此IO口電平是由外電路決定而非單片機(jī)所決定的，則此IO口就是輸入IO口。2、如果判斷單片機(jī)的此IO口電平是由單片機(jī)決定而非外電路所決定的，則此IO口就是輸出IO口。...

2021-11-17 10:21:03

04、STM8通用輸入輸出口(GPIO)

04、STM8通用輸入輸出口(GPIO)文章目錄04、STM8通用輸入輸出口(GPIO)1、概述2、GPIO主要功能3、I/O 的配置和使用3.1、輸入模式3.1.1、GPIO引腳懸浮輸入

2021-11-26 15:21:05

STM32的8種GPIO輸入輸出模式

STM32的8種GPIO輸入輸出模式參考文章“STM32的8種GPIO輸入輸出模式深入詳解”和“STM32中GPIO的8種工作模式！”輸入模式- 浮空輸入(GPIO_Mode_IN_FLOATING

2021-11-26 17:06:14

GPIO的8種輸入輸出模式和引腳封裝

直接跳過(guò)上下拉電阻，直接輸入到IO邏輯電路。3、下拉輸入：輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。在上圖中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)弱下拉電阻，再輸入到IO邏輯電路。當(dāng)IO腳上沒(méi)有任何輸入輸出信號(hào)時(shí)，由弱下拉電阻保持該引腳的...

2021-12-04 11:21:09

STM32 韋根輸入輸出技術(shù)方案

STM32 韋根輸入輸出技術(shù)方案

2021-12-08 16:21:06

C語(yǔ)言輸入輸出

文章目錄系列文章目錄前言一、pandas是什么？二、使用步驟 1.引入庫(kù) 2.讀入數(shù)據(jù) 總結(jié)前言今天重新溫習(xí)了C語(yǔ)言的輸入輸出方面的知識(shí)，得到了新的體會(huì)，所以在這跟大家分析

2021-12-14 18:52:58

io芯片的作用是什么

Io一般指輸入輸出設(shè)備，I為輸入，O為輸出，芯片io口的輸入是對(duì)芯片、的外部信號(hào)傳輸，輸出是對(duì)其他設(shè)備的內(nèi)部信號(hào)傳輸，輸入輸出是相對(duì)的。

2021-12-20 14:12:53

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GPIO通用輸入輸出

GPIO通用輸入輸出一、GPIO的功能概述用途：GPIO是通用輸入輸出（General Purpose I/O）的簡(jiǎn)稱，主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要用到數(shù)字量輸入/輸出的場(chǎng)合。例如：輸出功能:繼電器、LED

2021-12-20 18:58:47

MCU中的IO口輸入輸出狀態(tài)詳解

使用MCU，必然接觸到IO（Input，Output）口，對(duì)于IO口的輸入輸出狀態(tài)就要有所了解。

2022-02-08 15:47:20

Logos系列FPGA輸入輸出接口（IO）用戶指南

電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《Logos系列FPGA輸入輸出接口（IO）用戶指南.pdf》資料免費(fèi)下載

2022-09-26 10:19:46

UG030005 Compact系列CPLD輸入輸出接口（IO）用戶指南

電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《UG030005 Compact系列CPLD輸入輸出接口（IO）用戶指南.pdf》資料免費(fèi)下載

2022-09-26 09:59:44

PC上的Arduino輸入輸出

電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《PC上的Arduino輸入輸出.zip》資料免費(fèi)下載

2022-11-15 14:46:35

八個(gè)開(kāi)關(guān) 輸入輸出只有Proteus圖

Proteus八個(gè)開(kāi)關(guān)輸入輸出

2022-12-30 16:50:23

基本輸入輸出Proteus圖沒(méi)有代碼

基本輸入輸出Proteus圖沒(méi)有代碼

2022-12-30 16:48:39

什么是基于IO采集卡實(shí)現(xiàn)起保停控制

PLC全稱可編程邏輯控制器，主要由輸入輸出（IO）+ 邏輯控制（程序）+ 外部接口（通信）三部分組成。

2023-02-22 15:28:30

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MSPM0L1306開(kāi)發(fā)板教程之GPIO輸入輸出

GPIO算是所有MCU入門的第一步，今天的教程就來(lái)教大家設(shè)置MSPM0L系列的GPIO的輸入輸出功能。

2023-05-04 17:22:24

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io擴(kuò)展模塊常見(jiàn)的種類有哪些？io擴(kuò)展模塊一般又賣多少錢？

其實(shí)說(shuō)白了，IO擴(kuò)展模塊就是一種用于擴(kuò)展設(shè)備輸入/輸出接口的硬件設(shè)備。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，IO擴(kuò)展模塊可以分為多種類型。以下是一些常見(jiàn)的IO擴(kuò)展模塊類型： 1. 數(shù)字輸入輸出

2023-07-12 17:59:54

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plc帶模擬量輸入輸出和不帶模擬量輸入輸出有什么區(qū)別??？

plc帶模擬量輸入輸出和不帶模擬量輸入輸出有什么區(qū)別啊？ PLC是一種廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化控制器，它可通過(guò)輸入和輸出控制信號(hào)來(lái)管理各種自動(dòng)化過(guò)程。PLC的“模擬量”輸入輸出和“數(shù)字量”輸入輸出是兩種常見(jiàn)

2023-10-17 16:44:51

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工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)量輸入輸出采集控制網(wǎng)關(guān)

量輸出接口，可用于采集外部開(kāi)關(guān)量狀態(tài)并控制相關(guān)設(shè)備。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，將開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴霞?jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。 ? 開(kāi)關(guān)量輸入輸出采集控制網(wǎng)關(guān)在工業(yè)領(lǐng)域中具備廣泛應(yīng)用。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，常需要對(duì)各種開(kāi)

2023-10-31 16:29:19

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工業(yè)自動(dòng)化：開(kāi)關(guān)量輸入輸出采集控制終端

量輸入輸出采集控制終端（IO數(shù)據(jù)終端）具備多個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出接口（如Ai、AO、DI、DO、RO）可用于采集多種工業(yè)設(shè)備，并通過(guò)RS485/RS232/4G等方式上傳到上位機(jī)或云端程序（組態(tài)軟件、工業(yè)數(shù)據(jù)云平臺(tái)）中，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)監(jiān)控與控制。

2023-11-06 11:01:11

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