STM32学习笔记——GPIO基本结构和工作方式介绍

  STM32F103RCT6一共有4组IO口，一共有16*3+3=51个IO口
   GPIOA0~A15
  GPIOB0~B15
  GPIOC0~C15
  GPIOD0~D2

一、GPIO 功能描述

  每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。

STM32 的 IO 口可以由软件配置成如下 8 种模式：
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、推挽式复用功能
8、开漏复用功能
  每个 IO 口可以自由编程，但 IO 口寄存器必须要按 32 位字被访问。(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。
  VCC：C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压；
  VDD：D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压；
  VSS：S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压。
  对于数字电路来说，VCC是电路的供电电压,VDD是芯片的工作电压(通常Vcc>Vdd)，VSS是接地点。例如，对于ARM单片机来说，其供电电压VCC一般为5V，一般经过稳压模块将其转换为单片机工作电压VDD = 3.3V。
  TTL肖特基触发器：将模拟信号转化为数字信号，这里有一个阈值电压的概念，比如从低到高达到多少才会导通，从高到底多少才会关闭。

二、GPIO工作方式（重要）

4种输入模式：
   输入浮空
   输入上拉
   输入下拉
   模拟输入
4种输出模式：
   开漏输出
   开漏复用功能
   推挽式输出
   推挽式复用功能
3种最大翻转速度：
   -2MHZ
   -10MHz
   -50MHz

①输入浮空模式（GPIO_Mode_IN_FLOATING）

  输入浮空的时候走的是黄色的部分，顺序为①——④。再输入浮空的时候上拉和下拉的两个开关（即②和①之间的开关）是断开的，输入电平从①处输入进去，经过施密特触发器（这时施密特触发器是打开的），电平直接传到输入数据寄存器，然后CPU就可以通过读取输入数据寄存器得到外部输入电平的值。即在输入浮空模式下，我们可以读取外部的电平。
  输入浮空一般多用于外部按键输入，在浮空输入状态下，IO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输入上拉（GPIO_Mode_IPU）

  输入上拉和输入浮空的区别就是上拉电阻（30-50K）是接通的。
  CPU通过读取输入数据寄存器的值来得到输入高低电平的值。
  上拉电阻的目的是为了保证在无信号输入时输入端的电平为高电平，而在信号输入为低电平时输入端的电平应该也为低电平。如果没有上拉电阻，在没有外界输入的情况下输入端是悬空的，它的电平是未知的无法保证的，上拉电阻就是为了保证无信号输入时输入端的电平为高电平。

③输入下拉（GPIO_Mode_IPD）

  输入下拉就是下拉电阻是接通的。
  下拉电阻就是为了保证无信号输入时输入端的电平为低电平。

④模拟输入（GPIO_Mode_AIN）

  将外部的模拟量转换成数字量。外部的输入是模拟的，将其转换成数字量。 作为模拟输入一般是0-3.3v。
  应用于ADC模拟输入，或者低功耗下省电。

⑤开漏输出（GPIO_Mode_Out_OD）

       MOS管部分可看作如下电路：

  开漏输出模式下，CPU可以写寄存器（位设置/清除寄存器），比如写1，最终会被映射到输出数据寄存器，输出数据寄存器连通的是输出控制电路，如果我们的输出是1，N-MOS管就处于关闭状态(P-MOS从不被激活)，这时IO端口的电平就不会由我们输出的1来决定，因为N-MOS管已经截止了，所以IO口的电平是由外部的上拉或下拉决定。在输出模式下，输出的电平也可以通过输入电路读取到输入数据寄存器，然后被CPU读取。

  所以，当我们输出1时，我们读取的输出电平可能不是我们输出的1，读取的值是由外部的上拉或下拉决定的。当我们的输出是0，这时N-MOS管处于开启状态，IO口的电平就会被N-MOS管拉到Vss，这时IO口的电平输出就为0，CPU通过输入电路读取IO口的电平也就为0。

  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 （集成电路）内部的驱动。当 IC 内部 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管，可分为“N型”与“P型”，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS） 导通时，驱动电流是从外部的VCC 流经 R pull-up（上拉电阻） ，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。
  ③开漏输出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。

⑥复用开漏输出（GPIO_Mode_AF_OD）

  复用开漏输出和开漏输出的区别就是输出1和0的来源不同，开漏输出是由CPU写入的，映射到输出数据寄存器连通到输出电路，而复用开漏输出是由复用功能输出决定的，即来自片上的外设，其他的地方都一样。

  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（比如串口USART），即并非作为通用IO口。

⑦推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP）

  推挽输出控制输出的寄存器和开漏输出是一样的，当输出为1，这时P-MOS管被导通，N-MOS管截止，输出的1就被传输到IO端口，当输出为0，P-MOS管截止，N-MOS管导通，输出的0就被传输到IO口。同样，我们也可以通过输入电路读取IO口的输出。
  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。

⑧复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP）

  复用推挽输出和推挽输出的区别也输出1和0的来源不同，其它的地方都一样。
  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（比如说串口），即并非作为通用IO口。

上电复位后，GPIO默认为浮空状态，部分特殊功能引脚为特定状态。

复位后，JTAG引脚被置于输入上拉或下拉模式：
  ─ PA15：JTDI置于上拉模式
  ─ PA14：JTCK置于下拉模式
  ─ PA13：JTMS置于上拉模式
  ─ PB4： JNTRST置于上拉模式
  当作为输出配置时，写到输出数据寄存器上的值(GPIOx_ODR)输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(当输出0时，只有N-MOS被打开)使用输出驱动器。输入数据寄存器(GPIOx_IDR)在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉，当配置为输入时，它们可以被激活也可以被断开。