GPIO工作原理

# 概况

在STM32F103x数据手册上是这么介绍GPIO接口的：

51/80/112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号

主要是它的三个特性：

双向多功能
所有接口都可以映射外部中断
几乎所有接口可以容忍5V信号

除了这些，我们的STM32的GPIO还有8种输入/输出模式（后面会提到）。需要提醒的一点是：VDD与VCC通常表示正极，VSS与GND表示负极

# 8种输入输出模式^[1]

# GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍：

这边的电路图稍微提一下：

保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、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。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作
P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到
TTL肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号

这里需要注意的是，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的；如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V

# STM32的GPIO工作方式

GPIO支持4种输入模式（浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入）和4种输出模式（开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出）。同时，GPIO还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。

每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字被访问。

GPIO_Mode_AIN 模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
GPIO_Mode_IPD 下拉输入
GPIO_Mode_IPU 上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式：

# 浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的

将内部结构简化后，得到这样的过程：

也就是上、下拉电阻均未接通，输入信号完全由外部决定

# 上拉输入模式

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平

简化的结构如下：

为什么在无信号的时候输入端会有一个高电平呢，就是因为这个上拉电阻接通到的是高电平，所以上拉输入常用来测量低电平

# 下拉输入模式

下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平

简化的结构如下：

为什么在无信号的时候输入端会有一个低电平呢，就是因为这个下拉电阻接通到的是低电平，所以下拉输入常用来测量高电平

# 模拟输入模式

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等

# 开漏输出模式

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平

通俗的讲，开漏输出就是使用各种方法，输出的时候，只有0与1的数字信号（电平高低）而没有电流通过

而最后一句讲到：I/O端口的电平不一定是输出的电平，为什么呢，看下图：

可以看到：接管输入与输出的信号放大器是并联的，也就是讲，外部输入的电平接的到的话，其电平也可能是接收到的电平

# 开漏复用输出模式

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的

# 推挽输出模式

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要**注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。**同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平

通俗的讲，推挽输出就是使用各种方法，输出的时候，不仅有电平的高低，在高电平时会有强电流通过，以此可以驱动一些元件（但是相对来讲，这个电流还是比较小的）

# 推挽复用输出模式

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的

# 总结与分析

什么是推挽结构和推挽电路？

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度
开漏输出和推挽输出的区别
- 开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)；
- 推挽输出:可以输出强高、低电平，连接数字器件
关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：

该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉
在STM32中选用怎样选择I/O模式
- 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1
- 带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
- 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
- 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
- 开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能
- 推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的
- 复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL、SDA）
- 复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）
最常用的模式为推挽输出与上拉输入

关于8种模式，还可参考以下文章：

GPIO 8种模式

# 寄存器相关

对于外设的配置，是由寄存器完成的，GPIO也不例外。

对于寄存器的配置在如何影响着GPIO请参考如下文章，在寄存器开发时在仔细研究：

寄存器相关

以及参考这个视频 (opens new window)

# 参考

[1] 8种输入输出模式：此部分转载自https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/79858906 (opens new window)，版权归原作者所有

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上次更新: 2020/11/14, 12:11:00

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