STM32 GPIO

STM32 GPIO

GPIO简介

  • GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口，也就是我们俗称的IO口

  • 根据使用场景，可配置为8种输入输出模式

  • 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V

    • 数据0就是低电平，也就是0V；数据1就是高电平，也就是3.3V。
    • 容忍5V的意思是可以在这个端口输入5V的电压，也认为是高电平，但是对于输出而言，最大就只能输出3.3V，因为供电就只有3.3V。
      • 具体哪些引脚可以容忍5V，见引脚定义表I/O口电平一列带FT（Five Tolerate）的就是可以容忍5V的，不带FT的就只能接入3.3V的电压。

  • 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序（I2C，SPI或者某个芯片特定的协议）等

    • 在其他场景，只要是可以用高低电平来进行控制的地方，都可以用GPIO来完成，如果控制的是功率比较大的设备，只需要再假如驱动电路即可。

  • 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等

    • 输入模式最常见的就是读取按键，用来捕获我们的按键按下事件。
    • 另外也可以读取带有数字输出的一些模块，比如光敏电阻模块，热敏电阻模块。
    • 如果这个模块输出的是模拟量，那GPIO还可以配置成模拟输入模式，再配合内部的ADC外设，就能直接读取端口的模拟电压。
    • 模拟通信协议时，接受通信线上的数据，也是靠GPIO的输入来完成的。

GPIO基本结构

  • APB2外设总线，所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的。
  • GPIO外设的名称是按照GPIOA、GPIOB、GPIOC等等这样来命名的，每个GPIO外设，总共有16个引脚，编号是从0~15，那GPIO的第0号引脚，我们一般把它称作PA0，接着第1号引脚就是PA1,然后PA2，以此类推，一直到PA15，GPIOB也是如此，从PB0~PB15这样来命名。
  • 在每隔GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器这些东西。
    • 寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，这样就可以完成输出电平和读取电平的功能了。
      • 这个寄存器的每一位对应一个引脚
        • 输出寄存器写1，对应的引脚就会输出高电平，写0，就输出低电平。
        • 输入寄存器读取为1，就证明对应的端口目前是高电平，读取为0，就是低电平。
        • 因为STM32是32位的单片机，所以STM32内部的寄存器都是32位的。但这个端口只有16位，所以这个寄存器只有低16位有对应的端口，高16位是没有用到的。
    • 这个驱动器是用来增加信号的驱动能力的，寄存器只负责存储数据，如果要进行点灯这样的操作的话，还是需要驱动器来负责增大驱动能力。

在这里插入图片描述

GPIO位结构

  • 三个寄存器

    • 位设置/清除寄存器
    • 输出数据寄存器
    • 输入数据寄存器

  • 两个驱动器

    • 输入驱动器
    • 输出驱动器

  • I/O引脚

  • 输入部分

    • 输入信号首先是通过I/O引脚进来，这里接了两个保护二极管，是对输入电压进行限幅的。上面这个二极管接VDD，3.3V，下面接VSS，0V。
      • 如果输入电压比3.3V还要高，那上方这个二极管就会导通，输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样就可以避免过高的电压对内部这些电路产生伤害。
      • 如果输入电压比0V还要低，这个电压是相对VSS的电压，所以是可以有负电压的，那这时下方这个二极管就会导通，电流会从VSS直接流出去，而不会从内部电路汲取电流，也是可以保护内部电路的。
      • 如果输入电压在0~3.3V之间，那两个二极管均不会导通，这时二极管对电路没有影响，这就是保护二极管的用途。
    • 接下来输入信号向上，这里连接了一个上拉电阻和一个下拉电阻，上拉电阻是VDD，下拉电阻是VSS，这个开关可以通过程序进行配置。
      • 如果上面导通、下面断开，就是上拉输入模式；如果下面导通、上面断开，就是上拉输入模式，如果两个都断开，就是浮空输入模式。
      • 上拉电阻和下拉电阻其实是为了给输入提供一个默认的输入电平的，因为对于一个数字的端口，输入不是高电平就是低电平。如果输入引脚什么都不接，就无法判断此刻是高点平还是低电平，这时输入就会处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易守外界干扰而改变。为了避免引脚悬空导致的输入数据不确定，我们就需要在这里加上上拉电阻或者下拉电阻。
        • 如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可以称作是默认为高电平的输入模式。
        • 下拉输入也是同理，就是默认为低电平的输入方式。
      • 这个上拉电阻和下拉电阻的阻值都是比较大的，是一种弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作。
    • 接下来，信号通过施密特触发器（TTL肖基特触发器），这个施密特触发器的作用就是对输入电压进行整形。
      • 它的执行逻辑是
        • 如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平。
        • 如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平。
    • 举个例子，因为这个引脚的波形是外界输入的，虽然是数字信号，实际情况下可能会产生各种失真，比如一个夹杂了波动的高低变化电平信号，如果没有施密特触发器，那很有可能因为干扰而导致误判，如果有了施密特触发器，确定一个阈值上限和下限，高于上限输出高电平，低于下限输出低电平 。对于施密特触发器来说，只有高于上限或者低于下限，输出才会变化，即使信号在下限附近来回横跳，因为没有达到阈值上限，所以一直会输出低电平，知道高于上限，才会输出高电平。
    • 使用两个比较阈值来进行判断，中间留有一定的变化范围，可以有效地避免因信号波动造成的输出抖动现象。
    • 经过施密特触发器整形的波形就可以直接写入输入数据寄存器了，再用程序读取输入数据寄存器某一位的数据，就可以知道端口的输入电平了。
    • 模拟输入/复用功能输入（至片上外设），就是连接到片上外设的一些端口
      • 模拟输入，连接到ADC上，因为ADC需要接收模拟量，所以与之相连的这根线是接在施密特触发器之前的。
      • 复用功能输入，连接到其他需要读取端口的外设上，比如串口的输入引脚等，与之相连的这根线接收的是数字量，所以接在施密特触发器之后。

  • 输出部分

    • 数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制，两种控制方式通过数据选择器接到了输出控制部分。
      • 通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO口输出，写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口了。
        • 位设置/清除寄存器可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位。
        • 因为这个输出数据寄存器同时控制16个端口，并且这个寄存器只能整体读写，所以如果想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话，就需要一些特殊的操作方式。
          • 第一种方式是先读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去，在C语言中就是&=和|=的操作。这种方法比较麻烦，效率不高，对于IO口的操作而言不太合适。
          • 第二种方式是通过设置这个位设置/清除寄存器。
            • 如果我们要对某一位进行置1操作，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样内部就会有电路，自动将输出数据寄存器中对应位置为1，而剩下写0的位则保持不变，这样就保证了只操作其中某一位而不影响其他位，并且这是一步到位的操作。
            • 如果想对某一位进行清0的操作，就在位清除寄存器的对应位写1即可，这样内部电路就会把这一位清零了。
          • 第三种方式就是读写STM32中的“位带”区域，“位带”区域，专门分配的有一段地址区域，这段地址影射了RAM和外设寄存器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位。
      • 输出控制之后接到了两个MOS管，上面是P-MOS，下面是N-MOS，MOS管就是一种电子开关，我们的信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS。在这里可以选择推挽、开漏或关闭三种输出方式。
        • 在推挽输出下，P-MOS和N-MOS均有效，数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接到VDD，输出高电平；数据寄存器为0时，上管断开，下管导通，输出直接到VSS，就是输出低电平。这种模式下，高低电平均具有比较强的驱动能力，所以推挽输出模式也可以教强推输出模式。
          • 在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，输出高低电平由STM32控制。
        • 在开漏输出模式下，P-MOS无效，N-MOS有效，数据寄存器为1时，下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻态；数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，输出低电平。
          • 开漏模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的（外接电源）。
          • 开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，就是使用的开漏模式。在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰。
          • 开漏模式还可以用于输出5V的电平信号，比如在IO口外界一个上拉电阻到5V的电源，当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS，当输出高电平时，由外部的上拉电阻拉高至5V，这样就可以输出5V的电平信号，用于兼容一些5V电平的设备。
        • 关闭模式，就是当引脚配置为输入模式的时候，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制。

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GPIO模式

  • 通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式
  • 除了模拟输入这个模式会关闭数字的输入功能，在其他7个模式中，所有的输入都是有效的。
模式名称性质特征
浮空输入数字输入可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定 （在使用浮空输入时，端口一定要接上一个连续的驱动源，不能出现悬空的状态）
上拉输入数字输入可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平
下拉输入数字输入可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平
模拟输入模拟输入GPIO无效，引脚直接接入内部ADC (ADC模数转换器的专属配置)
开漏输出数字输出可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接VSS （开漏输出的高电平呈现高阻态，没有驱动能力）
推挽输出数字输出可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS （推挽输出的高低电平都是有驱动能力的）
复用开漏输出 （由片上外设控制）数字输出由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS
复用推挽输出 （由片上外设控制）数字输出由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS

浮空/上拉/下拉输入

  • 在输入模式下，输出驱动器是断开的，端口只能输入而不能输出。
  • 上面这两个电阻可以选择为上拉工作、下拉工作或者都不工作，对应的就是上拉输入、下拉输入和浮空输入。
  • 然后输入通过施密特触发器进行波形整形后，连接到输入数据寄存器。
  • 另外右边这个保护二极管这里，上面写的是VDD或VDD_FT，这就是3.3V端口和容忍5V端口的区别。
    • VDD_FT对5V容忍IO脚是特殊的，它与VDD不同。容忍5V的引脚，它的上边保护二极管需要做一下处理，要不然直接接VDD3.3V的话，外部再接入5V电压就会导致上边二极管开启，并且产生比较大的电流，这个是不太妥当的。

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模拟输入

  • 输出断开，输入的施密特触发器也是关闭的无效状态。只剩下一根线，就是从引脚直接接入片上外设，也就是ADC，所以当我们使用ADC的时候，将引脚配置为模拟输入就行了，其他时候一般用不到模拟输入。

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开漏/推挽输出

  • 输出是由输出数据寄存器控制的，这个P-MOS如果无效，就是开漏输出，如果P-MOS和N-MOS都有效，就是推挽输出。
  • 在输出模式下，输入模式也是有效的，但是在输入模式下，输出都是无效的。即输出模式的时候，也可以读取到输出引脚的电平。
    • 这是因为一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入，所以当配置成输出模式的时候，内部也可以顺便输入一下，这个也是没什么问题。

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复用开漏/推挽输出

  • 没有连接到输出数据寄存器，引脚的控制权转移到了片上外设，由片上外设来控制，在输入部分，片上外设也可以读取引脚的电平，同时普通的输入也是有效的，顺便接收一下电平信号。

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