STM32的GPIO内部结构及相关寄存器

学完大二上学期51单片机课程的寒假，在家我就开始捣鼓STM32了，记得那时候接触STM32感觉它很难，20多天下来就学习了RCC时钟体系和GPIO控制模块，开学后又开始忙一些有的没的，STM32的学习也搁置了，以至于后来跟学校当时在念博的老师交流时，我是这样描述我的STM32开发水平的：“我只会用GPIO写流水灯程序”，说来汗颜。

最近一阵子又回归STM32学习之旅，对于GPIO模块其实很不想写文章，感觉在炒冷饭，不过，认真考虑后还是敲起了键盘，对于概念性的东西还是做一下笔记吧，编程方面的，挺简单，相关资料很多，就不记录了。

1. GPIO简介

GPIO是通用输入/输出端口的简称，是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接，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。最简单的helloworld级别的例子： 将GPIO引脚接到LED灯，通过控制引脚的输出高、低电平试下开关控制LED；将按键接到GPIO引脚，通过读取GPIO引脚区分按键是按下还是松开。

接下来干嘛？肯定是上那副经典的GPIO内部结构图了：

1.1 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。

1.2 P-MOS管和N-MOS管

图中红色箭头2方向为输出模式的GPIO，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。这两个MOS管接管电路的输入信号是由GPIO的输出数据寄存器GPIOx_ODR提供的，也就是我们可以通过编程修改GPIOx_ODR寄存器的值从而影响该单元电路的输出。
常用的还用置位/复位寄存器GPIOx_BSRR和复位寄存器GPIOx_BRR，设置这两个寄存器后也能影响GPIOx_ODR，进而影响单元电路输出。
除此，还有复用功能输出，意思是指STM32的其它片上外设对GPIO引脚进行控制，此时该引脚作为外设功能的一部分。片上外设数据信号作为双MOS管接管的输入，进而输出到GPIO引脚中。例如USART串口通讯，要用到某个GPIO 引脚作为通讯发送引脚，就可以把该GPIO 引脚配置成USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

1.3 TTL肖特基触发器

图中红色箭头1方向为输入模式的GPIO，GPIO引脚经过内部上/下拉电阻配置成上/下拉、或者浮空输入，然后连接到触发器。信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号，然后存储在输入寄存器GPIOx_IDR中，通过读取GPIOx_IDR寄存器就可以知道GPIO的电平状态。
同理，与复用功能输出类似，这里也有复用功能输入，GPIO引脚的输入信号会传输到STM32的其他片上外设，由外设去读取该引脚状态。例如使用USART串口通讯，用某个GPIO引脚作为通讯的接收引脚。
另外，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。类似的，当GPIO引脚用于DAC模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC信号输出不经过双MOS管。

2. GPIO的工作模式

GPIO的硬件结构，决定了GPIO可以配置成的工作模式有：

typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0,              //模拟输入
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,             //下拉输入
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,             //上拉输入
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,          //开漏输入

  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,          //推挽输出
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,           //复用开漏输出
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18            //复用推挽输出
}GPIOMode_TypeDef;

2.1 输入模式(上拉/下拉/浮空/模拟)

GPIO在输入模式中，肖特基触发器被打开，输出被禁止，通过GPIOx_IDR读取I/O状态。上拉/下拉输入，其默认电平由上拉/下拉决定，浮空输入的电平则是不确定的，完全由外部决定，一般按键就是采用浮空输入；模拟输入用于ADC采样。

2.2 输出模式(推挽/开漏)

GPIO在输出模式中，肖特基触发器同样被打开着的，即输入可用，这样通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可以读取到IO实际状态。推挽模式时，双MOS以轮流方式工作，开漏模式下，只有N-MOS管工作。输出寄存器GPIOx_ODR可控制是输出高低电平；输出的速率可配，有2MHz/10MHz/50MHz。频率越高，功耗越大，效率也越高。

2.3 复用功能

复用功能中，输出输入都使能，可工作与开漏或推挽模式，但是输出信号源于片上外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效，输入寄存器GPIOx_IDR仍然有效，可通过它获取IO实际状态，片上外设相关寄存器也是通过GPIOx_IDR获取该数据信号。

控制GPIO端口工作模式寄存器是GPIOx_CRL和GPIOx_CRH，它们都是32位的寄存器，分别管控GPIO的低8位IO和高8位IO。另外涉及到的寄存器还有：
GPIOx_ODR: 设置输出数据
GPIOx_IDR：读取输入数据
GPIOx_BSRR：置1/清零GPIO的相应引脚
GPIOx_BRR：清零GPIO的相应引脚
这些寄存器的设置参照STM32中文参考手册即可，很简单，不赘述。另外，要让GPIO正常工作，记得打开GPIO的时钟。