上/下拉电阻对GPIO的影响

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1.什么是上/下拉电阻

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理. 上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流，弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。这是网上搜索到的官方说法，那么什么叫不确定信号呢？比如说引脚悬空，如果芯片工作在恶劣的环境下（如有电磁干扰）或者刚上电期间电源供电不稳定，引脚的电平值就会产生波动，这就是不确定信号。

2.上/下拉电阻的由来

   那么怎么解决这个引脚电平不确定的问题呢？？于是工程师们就想了一个办法，在GPIO端口驱动电路外围加上拉电阻，连到电源，将其限制在高电平状态即为上拉。将上拉电阻接到地端，将电位限制在低电平即为下拉。 

3.上/下拉电阻对GPIO口的影响

   上（下）拉电阻在有输入的情况下，并不会导致GPIO的输入电压一直为高（低）电平。当输入信号不确定（即悬空时有电磁干扰），才会将GPIO口的电压值拉高（低）。至于为什么是这样？我想隔离的概念应该能很好的解释。

我们来举个列子：

    在做压电陶瓷驱动电源的一个项目中，控制芯片选的是STM32f103zet6，通过一个选择开关对其实现内外部控制的转换，外部输入是通过一个信号发生器产生方波，显然当选择开关打到外部控制时，GPIO口与外部信号发生器电路相连，选择内部控制时，拨动选择开关，让GPIO引脚悬空。这时候问题来了，引脚悬空电压能否稳定的一直保持高电平（或低电平）呢？？？这个问题的根据芯片的工作环境来判断。我的做法是，将GPIO口配置为上（下）拉输入。这样引脚悬空时，电平就能保持稳定高（低）电平。

更多关于拉电阻的信息请参照如下网址：点击打开链接

下面做下补充：

对于常见的ARM处理器，它们的GPIO口基本上可以配置为输入模式、输出模式、开漏或推挽模式。

下面讲讲开漏和推挽模式：

STM32 GPIO电路图如下：

GPIO口配置为输出时：开漏输出不接上拉电阻只能输出低电平。

    开漏模式：输出 0 时，N-MOS 被设置为导通，P-MOS 设置为未激活，输出0。

              输出 1 时，N-MOS 设置为高阻， P-MOS 设置为未激活，输出1（此时需要外部上拉电路将电平拉高，否则输出电平不确定）；

    推挽模式：输出 0 时，N-MOS 设置为导通，P-MOS 设置为高阻，输出0。

              输出 1 时，N-MOS 设置为高阻，P-MOS 设置为导通，输出1（此时不需要外部上拉电路）。

                                   开漏输出原理图（内部集成了上拉电阻）

常见的GPIO的模式可以配置为open-drain或push-pull，具体实现上，常为通过配置对应的寄存器的某些位来配置为open-drain或是push-pull。当我们通过CPU去设置那些GPIO的配置寄存器的某位（bit）的时候，其GPIO硬件IC内部的实现是，会去打开或关闭对应的top transistor。相应地，如果设置为了open-d模式的话，是需要上拉电阻才能实现，也能够输出高电平的。因此，如果硬件内部（internal）本身包含了对应的上拉电阻的话，此时会去关闭或打开对应的上拉电阻。如果GPIO硬件IC内部没有对应的上拉电阻的话，那么你的硬件电路中，必须自己提供对应的外部（external）的上拉电阻。而push-pull输出的优势是速度快，因为线路（line）是以两种方式驱动的。而带了上拉电阻的线路，即使以最快的速度去提升电压，最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻，C是寄生电容（parasitic capacitance），包括了pin脚的电容和板子的电容。但是，push-pull相对的缺点是往往需要消耗更多的电流，即功耗相对大。而open-drain所消耗的电流相对较小，由电阻R所限制，而R不能太小，因为当输出为低电平的时候，需要sink更低的transistor，这意味着更高的功耗。