STM32的GPIO输入输出的几种模式的总结

最近在看数据手册的时候，发现在Cortex-M3里，对于GPIO的配置种类有8种之多：

（1）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING浮空输入

（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入

（4）GPIO_Mode_IPU 上拉输入

（5）GPIO_Mode_Out_OD开漏输出

（6）GPIO_Mode_Out_PP推挽输出

（7）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

对于刚入门的新手，我想这几个概念是必须得搞清楚的，平时接触的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入这三种，但一直未曾对这些做过归纳。因此，在这里做一个总结：

推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

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。

1、STM32的GPIO结构图
GPIO共有8中设置模式：输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽式输出、推挽式复用功能，开漏复用功能，共4种输入，2种输入，2种复用功能。
2、模式说明
①浮空输入
图中施密特触发器是开启的，IO口的状态可以直接送到输入寄存器中，CPU可以直接读取输入寄存器；
在上图中，阴影的部分处于不工作状态，尤其是下半部分的输出电路，实际上是与端口处于隔离状态。

黄色的高亮部分显示了数据传输通道，外部的电平信号通过左边编号1的IO端口进入STM32，经过编号2的施密特触发器的整形送入编号3的输入数据寄存器，在输入数据寄存器的另一端编号4，CPU可以随时读出IO端口的电平状态。

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

②上拉输入

上图是STM32的GPIO带上拉输入模式的配置。与前面的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上部，接入了一个上拉电阻，根据STM32的数据手册，这个上拉电阻阻值介于30K~50K。
同样，CPU可以随时在输入数据寄存器的另一端，读出IO端口的电平状态。
③下拉输入

④模拟输入

施密特触发器是关闭的，信号直接到ADC输入；
STM32的模拟输入通道的配置则更加简单，信号从左边编号1的端口进入，从右边编号2的一端直接进入ADC模块。
这里我们看到所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器，均处于断开状态，因此输入数据寄存器将不能反映端口上的电平状态，也就是说，模拟输入配置下，CPU不能在输入数据寄存器上读到有效的数据。
⑤开漏输出模式

当CPU在编号1端通过“位设置/清楚寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后，该数据位通过编号2的输出控制电路传送到编号4的IO端口。
如果CPU写入的是逻辑1，则编号3的N-MOS管将处于关闭状态，此时IO端口的电平将由外部的上拉电阻决定，如果CPU写入的是逻辑0，则编号3的N-MOS管将处于开启状态，此时IO端口的电平被编号3的N-MOS管拉到了VSS的零电位。
在上图的上半部，施密特触发器处于开启状态，这意味着CPU可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时监控IO端口的状态；通过这个特性，还实现了虚拟的IO端口双向通信，只要CPU输出逻辑1，由于编号3的N-MOS管处于关闭状态，IO端口的电平将完全由外部电路决定，因此，CPU可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑1。

GPIO口的输出模式下，有3种输出速度可选（2MHz、10MHz和50MHz），这个速度是指GPIO口驱动电路的响应速度，而不是输出信号的速度，输出信号的速度与程序有关（芯片内部在IO口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路）。通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。高频的驱动电路，噪声也高，当不需要高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高的频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。

开漏输出:输出端相当于三极管的集电极.要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 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).

开漏形式的电路有以下几个特点：

1.利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。

2.一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）

3.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

4.可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

补充：什么是“线与”？：

在一个结点(线)上,连接一个上拉电阻到电源VCC或VDD和n个NPN或NMOS晶体管的集电极C或漏极D,这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上,只要有一个晶体管饱和,这个结点(线)就被拉到地线电平上.因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和,所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑.如果这个结点后面加一个反相器,就是或OR逻辑.

其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

⑥开漏输出复用功能

⑦推挽输出模式

⑧推挽复用输出模式

GPIO推挽复用输出模式，编号2的输出控制电路的输入，与复用功能的输出端相连，此时输出数据寄存器被从输出通道断开了，并和片上外设的输出信号连接。我们将GPIO配置成复用输出功能后，如果外设没有被激活，那么它的输出将不确定，其它部分与前述模式一致，包括对“输入数据寄存器”的读取。

复用开漏输出、复用推挽输出：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）

3、应用场合
①上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
②浮空输入模式，由于输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准通信协议的I2C、USART的接收端；
③普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3V的场合。而普通开漏输出模式一般应用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就需要在外部一个上拉电阻，电源为5V，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5V电平。
④对于相应的复用模式，则是根据GPIO的复用功能来选择，如GPIO的引脚用作串口的输出，则使用复用推挽输出模式。如果用在IC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合，就使用复用开漏模式。
⑤在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻。

在STM32中选用IO模式

（1） 浮空输入_IN_FLOATING——浮空输入，可以做KEY识别，RX1

（2）带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入

（3）带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入

（4） 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电

（5）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

（6）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

（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）

（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

基础不牢地动山摇！！！

上边电路的按键，模式就要配置成上拉输入。
下边电路的按键，则配置成浮空输入就可以啦。