【STM32】STM32F4 GPIO八种模式及工作原理详解

1 GPIO简介

GPIO,即通用I/O(输入/输出)端口，是STM32可控制的引脚。STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

STM32F407有7组IO。分别为GPIOA~GPIOG，每组IO有16个IO口，共有112个IO口  通常称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。  并且F4系列是基于Cortex-M4内核  

GPIO的复用：

STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。    比如说串口  就是GPIO复用为串口

 

2 GPIO的工作模式

1、4种输入模式

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

2、4种输出模式 

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）
3、4种最大输出速度
（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义

3 GPIO框图剖析

我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式  这里我们简单的介绍下：

• 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_FT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 
• 上拉、下拉电阻：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平
• TTL施密特触发器：基本原理是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；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号    也就是高低电平  并且是TTL电平协议   这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
•  P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式     P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭

注：  VDD_FT  代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V      

 在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“I/O电平”一列  有FT即为支持5V

4 GPIO的八种工作模式剖析：

 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。MCU直接读取I/O口电平，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。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别

上拉输入模式

                           

 IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平  如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平

STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

下拉输入模式

                              

 IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平  如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平

模拟输入模式

                              

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，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空 ，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态

当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出

除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，

开漏输出模式（带上拉或者下拉）

                      

                            

在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定   如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态

并且此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。，I/O口的电平不一定是输出的电平   

推挽输出模式（带上拉或者下拉）

 

                          

在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平，  外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平

此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。I/O口的电平一定是输出的电平   

复用开漏输出（带上拉或者下拉）

                          

GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；  输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态    除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

复用推挽输出（带上拉或者下拉）

                          

GPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；  输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态    除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

 

开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：

可以输出强高低电平，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.

开漏输出：

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. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平  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)；

在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平

、

推挽输出电路： 其中IN端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IN端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   

开漏输出电路：IN端输出低电平时，三极管导通，使输出接地，IN端输出高电平时，三极管截止，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须接上拉电阻，

在STM32中选用IO模式:

•  上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
• 模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
• 开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要"线与"功能的总线电路中。
•  推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
• 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）

F4系列与F1系列区别:

本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核  而F1系列采用Cortex-M3内核

F1系列(M3)IO口基本结构：

F4系列(M4)IO口基本结构：

F4系列设计的更加高级与人性化，他将外部上下拉电阻转移到了输出/输入驱动器外部，使得输出模式下也可以实现内部上拉与下拉，方便了用户的使用，增加了灵活性

 

GPIO的初始化(F4)

这里我们以初始化LED为例

1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/

一共有5个参数

 

2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);     /*开启 AHB1时钟*/

   Q:为什么要设置时钟？

    任何外设都需要时钟，51单片机，stm32，430等等，因为寄存器是由D触发器组成的，往触发器里面写东西，前提条件是有时钟输入。stm32是低功耗，他将所有的门都默认设置为disable(不使能)，在你需要用哪个门的时候，开哪个门就可以，也就是说用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以，   其他的没用到的可以还是disable(不使能)，这样耗能就会减少。

Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？

因为首 先 STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率， 比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁 干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。
 

而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到

RCC_AHB1

RCC_APB1

3选择要控制的 GPIO 引脚

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  /*选择Pin9引脚*/

可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

4设置所选引脚的模式

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;   /*设定为输出模式*/

引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

 

5 设定所选引脚的输出类型

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   

只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

6 设定所选管脚的速度

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz  高速模式

7 设定所选管脚的上拉与下拉

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*设置引脚为上拉模式*/

可设置为：上拉，下拉，与浮空

8初始化GPIO

 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);    //初始化所设置的引脚

GPIO_Init() 是官方配置的初始化函数  第一个参数是GPIOX 第二个参数是结构体所对应GPIO各种参数的配置

 

GPIO的初始化(F1)

F4的初始化相较于F1系列有了很大的改变，在配置F1系列时，结构体只有三个参数  

 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

所选管脚的速度

所选管脚的8种模式

区别：

 F1(M-3)系列管脚速度只有三种模式  并且管脚的模式配置八种模式全部都在一起定义，直接设置即可

总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可

void led_init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed   = GPIO_Speed_50MHz;     //配置IO口速度,仅输出有效
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
}