6-1-GPIO结构和模式

1 概念

GPIO 是通用输入输出端口的简称，STM32 可控制的引脚，STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能；
STM32 芯片的 GPIO被分成很多组，每组有 16 个引脚，所有的 GPIO 引脚都有基本的输入输出功能；
在输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动 LED、控制分频器、模拟通信协议输出时序等。如果控制功率较大的设备，需加入驱动电路；
输入模式下可读取端口的高低电平或电压,用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据（接受通信线上的数据）等。

2 结构图

2.1 保护二极管

IO 引脚上的保护二极管，主要用于对电压进行限幅，上方二极管接VDD（+3.3V电源），下方二极管接VSS（0V或地）。
当输入电压超过3.3V时，上方的二极管会导通。此时，输入电压产生的电流会通过二极管流向VDD，而不流入内部电路。这种情况可以有效防止过高的电压对内部电路造成损害。
当输入电压低于0V时，下方的二极管会导通。这意味着输入信号产生的电流会通过下方二极管流向VSS（地），而不会流入内部电路。
当输入电压在0V到3.3V之间时，两个二极管都不会导通。此时，电压在安全范围内，电流可以正常流入内部电路，而不会受到二极管的影响。

2.2 上拉/下拉电阻

上拉电阻：连接到引脚与VDD（高电平）之间，用于在引脚未连接其他设备时，将引脚的默认状态拉高至高电平；
下拉电阻：连接到引脚与VSS（地）之间，用于在引脚未连接其他设备时，将引脚的默认状态拉低至低电平；
上拉输入模式：当上拉电阻导通、下拉电阻断开时，引脚被拉高，默认为高电平；
下拉输入模式：当下拉电阻导通、上拉电阻断开时，引脚被拉低，默认为低电平；
两者都断开：如果上拉和下拉电阻都断开，引脚将处于浮空状态，无法确定是高电平还是低电平，容易受到外界干扰；

2.3 MOS 管输出控制

MOS管：金属氧化物半导体场效应管，作为电子开关控制电流流动。
PMOS（正型MOS管）：在高电平下导通，低电平下关闭。
NMOS（负型MOS管）：在高电平下关闭，低电平下导通。
MOS管的输出控制可以选择三种模式：推挽输出、开漏输出和关闭模式。

2.3.1 推挽输出

当数据寄存器为1时，PMOS导通，NMOS断开，输出连接到VDD（高电平）；
当数据寄存器为0时，PMOS断开，NMOS导通，输出连接到VSS（低电平）；
具备强驱动能力，高低电平都能有效输出；
常用于需要高速切换和强驱动能力的场合，适合一般的数字输出。

2.3.2 开漏输出

PMOS不工作，只有NMOS在控制；
数据寄存器为1时，NMOS断开，输出处于高阻态（不输出电平）；
数据寄存器为0时，NMOS导通，输出连接到VSS（低电平）；
能输出低电平，无法直接输出高电平；
需要外接上拉电阻来实现高电平输出（如接到5V电源）；
广泛应用于需要“线与”特性的总线协议（如I2C、SMBus）及电平不匹配的场合（如需要输出5V信号时）。

2.3.3 高阻态和上拉电阻

高阻态：是一种电路状态，表示该电路的输出端口不提供任何电流或电压信号。在这种状态下，输出端口的电流几乎为零，等同于断开或没有连接。所以，在开漏输出模式下，PMOS 是无效的，只有 NMOS 在工作，数据寄存器为 1 时NMOS管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻模式。

在开漏模式下，多个引脚可以连接在一起，只有在所有引脚均处于高阻态时，上拉电阻才会将线路拉高至电源电压。如果其中一个引脚输出低电平，整个线路都会被拉低至0V。

2.4 输出数据寄存器

前面提到的双 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“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。

2.5 复用功能输出

复用功能输出：是指STM32微控制器中的某些GPIO引脚可以被配置为除了普通输入输出功能之外的其他功能。这意味着这些GPIO引脚不仅可以直接由微控制器的输出数据寄存器（GPIOx_ODR）控制，还可以作为其他片上外设（如USART、SPI、I2C等）的功能引脚。
复用功能：当GPIO引脚被配置为某个外设的功能时，这个引脚的主要用途转变为该外设的一部分。例如，当我们使用USART串口通讯时，我们可以将某个GPIO引脚设置为USART的发送引脚。
信号连接：在复用状态下，从外设（如USART）发出的信号会连接到GPIO引脚的双MOS管结构的输入端。这意味着外设可以直接控制该引脚的输出，而不是依赖于微控制器的数据寄存器。
切换控制：通过图中的梯形结构，可以在GPIO引脚的普通功能与外设功能之间切换。

2.6 斯密特触发器

是一个对输入电压进行整形的器件，具有滞回特性的逻辑电路，用于将不稳定或波动的输入信号转换为明确的高电平或低电平输出；
施密特触发器设定了两个阈值：上限阈值和下限阈值；
当输入电压超过上限阈值时，输出瞬间变为高电平；
当输入电压低于下限阈值时，输出瞬间变为低电平；
在没有施密特触发器的情况下，输入信号可能因为噪声或电压波动而导致误判（即输出不稳定），施密特触发器通过设定的阈值，确保只有在信号稳定且超出设定范围时才改变输出状态，从而避免因信号波动引起的输出抖动。

2.7 输入数据寄存器

它是 GPIO 引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器 GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。

2.8 复用功能输入

在这种模式下，GPIO引脚被配置为特定外设的输入功能，而不是作为普通的GPIO输入；
这意味着GPIO引脚的信号可以直接传递给外设（如USART、SPI等），使其能够读取引脚的电平状态。
当我们使用USART进行串口通讯时，通常需要一个GPIO引脚作为数据接收引脚。通过将该GPIO引脚配置为USART的复用功能，外设USART就可以通过这个引脚接收远端发送的数据。在这种情况下，USART外设直接控制引脚的输入，能够实时获取数据，而不需要通过微控制器的普通输入数据寄存器读取。

2.9 模拟输入输出

2.9.1 模拟输入功能（ADC）

当GPIO引脚用于ADC（模数转换器）采集电压时，它被配置为“模拟输入”功能；
在这种情况下，输入信号并不经过施密特触发器，因为施密特触发器只会输出0和1的数字信号，而ADC需要采集原始的模拟信号。

2.9.2 模拟输出功能（DAC）

当GPIO引脚被配置为DAC（数模转换器）的输出通道时，它用作“模拟输出”功能；
在这种情况下，DAC生成的模拟信号直接输出到GPIO引脚，而不会经过双MOS管结构，这样可以确保DAC输出的模拟电压信号能够准确地传递到外部设备。

2.9.3 上下拉电阻的作用

当GPIO引脚用于模拟输入或输出时，配置的上下拉电阻将不再起作用。
即使在寄存器中设置了上拉或下拉模式，这些设置也不会影响模拟信号的输入或输出。

3 GPIO 的八种工作模式

3.1 浮空输入

引脚未连接任何电源或电阻，处于浮空状态；
易受外界干扰，可能导致输入电平不稳定；
在使用时应避免浮空状态，最好连接一个连续的驱动源。

3.2 上拉输入

引脚通过上拉电阻连接到VDD（正电源）；
当引脚悬空时，上拉电阻确保引脚为高电平（逻辑1）；
上拉电阻通常为较大值（弱上拉），以减少对正常输入操作的影响。

3.3 下拉输入

引脚通过下拉电阻连接到VSS（地）；
当引脚悬空时，下拉电阻使引脚为低电平（逻辑0）；
下拉电阻同样为弱下拉，确保不干扰正常输入。

3.4 模拟输入

用于连接ADC，接收模拟信号；
引脚信号直接接到施密特触发器之前，确保ADC可以获取原始模拟电压；
此模式下关闭数字输入功能。

3.5 推挽输出

由PMOS和NMOS管组成；
数据为1时，PMOS导通，输出高电平（连接VDD）；
数据为0时，NMOS导通，输出低电平（连接VSS）；
高低电平均有强驱动能力，适合需要快速切换的应用。

3.6 开漏输出

只有NMOS工作，PMOS无效；
数据为1时，NMOS处于高阻态（不输出）；
数据为0时，NMOS导通，输出低电平（连接VSS）；
常用于I2C通信等场合，可以外接上拉电阻以输出高电平信号。

3.7 复用推挽输出

与普通推挽输出类似，但引脚电平由片上外设控制；
用于需要与外设交互的场合，保持推挽模式的特点。

3.8 复用开漏输出

与普通开漏输出类似，但引脚电平由片上外设控制；
适合需要与外设交互且使用开漏输出的场合。