第14章. GPIO简介

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14.1 GPIO基本结构

14.1.1 保护二极管

14.1.2 上拉、下拉电阻

14.1.3 施密特触发器

14.1.4 P-MOS 管和 N-MOS 管

14.1.5 输出数据寄存器

14.1.6 输入数据寄存器

14.2 GPIO工作模式

14.2.1 输入模式

14.2.1.1 输入浮空模式

14.2.1.2 输入上拉模式

14.2.1.3 输入下拉模式

14.2.1.4 模拟输入模式

14.2.2 输出模式

14.2.2.1 推挽输出模式

14.2.2.2 开漏输出模式

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从本章开始我们就要开始外设等相关模块的介绍。我们首先要介绍的就是GPIO，因为我认为GPIO是最基础也是最重要的一个外设功能。那么后续针对每一个外设，我们大致都会从下面几个部分进行讲解：

1.硬件结构及原理

2.相关寄存器

3.相关库函数

4.实例练习

14.1 GPIO基本结构

GPIO 有八种工作模式，为讲清楚这些模式的实现原理，我们需要先讲解GPIO的基本结构，总的框图如图14.1-1所示。右边I/O 引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其余部分均为GPIO 的内部结构。

图14.1-1 GPIO的基本结构图

14.1.1 保护二极管

引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，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。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。

14.1.2 上拉、下拉电阻

上下拉电阻的阻值大概在30~50K欧之间，可以通过上、下两个对应的寄存器控制开关。当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定。内部上拉电阻工作时引脚电平为高电平，内部下拉电阻工作时，则引脚电平为低电平。如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是浮空模式。浮空模式下引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。由于上下拉电阻的阻值较大，STM32的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。

14.1.3 施密特触发器

图中的TTL肖特基触发器即为施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变。也就是说输出由高电平翻转为低电平，或是由低电平翻转为高电电平对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象。我们软件开发种经常用到“滞环调节”，是一个道理，一个经常的应用场景是防止在边界附件来回震荡。施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波信号。

14.1.4 P-MOS 管和 N-MOS 管

这种双MOS管结构，主要控制GPIO的开漏输出和推挽输出两种模式。这里我们只用记住，PMOS输入低电平时导通，NMOS输入高电平时导通即可。详细内容，后面还会介绍。

14.1.5 输出数据寄存器

刚到的双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。也可以通过“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”修改输出数据寄存器的值，来控制电路的输出。

14.1.6 输入数据寄存器

GPIO引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再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。

14.2 GPIO工作模式

GPIO有八种工作模式，分别如下，我们分输入，输出和复用功能3个大类进行描述。

1、输入浮空

2、输入上拉

3、输入下拉

4、模拟输入

5、开漏输出

6、推挽输出

7、开漏式复用功能

8、推挽式复用功能

14.2.1 输入模式

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。

14.2.1.1 输入浮空模式

上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。输入浮空模式下，IO口的电平完全是由外部电路决定。如果IO引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。该模式通常用于按键检测等场景。

图14.2-1 输入浮空模式

14.2.1.2 输入上拉模式

上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。

图14.2-2 输入上拉模式

14.2.1.3 输入下拉模式

下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。

图14.2-3 输入上拉模式

14.2.1.4 模拟输入模式

此模式下上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双 MOS 管也关闭。其他外设可以通过模拟通道输入输出。该模式下需要用到芯片内部的模拟电路单元单元，用于ADC/DAC等操作模拟信号的外设。

当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。同样，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构，模拟信号直接输出到引脚。

图14.2-4 模拟输入模式

14.2.2 输出模式

输出模式主要是由双MOS管的开闭控制来实现的，画了一个示意图，如图14.2-5所示。在输出模式中，推挽模式时双MOS管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz的选项。此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。

在输出模式时施密特触发器是打开的，即可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。

下面我们分别进行介绍。

图14.2-5 输出模式控制示意图

14.2.2.1 推挽输出模式

图14.2-6 推挽模式等效电路

推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，PMOS管负责灌电流-“推”，NMOS管负责拉电流-“挽”，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0伏，高电平为3.3伏，如上图所示推挽输出模式时的等效电路。

由于推挽输出模式下输出高电平时，是直接连接 V DD ，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达 25mA，但是芯片的总电流有限，所以并不建议这样用，最好还是使用芯片外部的电源。

14.2.2.2 开漏输出模式

图14.2-7 开漏输出等效电路

在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0低电平，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1(它无法直接输出高电平)时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻，等效电路如上图。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平0。

那么开漏输出模式的应用场景是什么的？总结下来主要有2个：

1.电平不匹配的场合

STM32输出的高电平是3.3V，如果外部需要更高或者更低的电压，那么推挽输出就不合适了。此时就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为外部需要的电压，如5V，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平，输出低电平时则输出低电平0V，如图14.2-8。