STM32学习笔记--GPIO工作原理

一、GPIO工作原理

  STM32F103RCT6共有64个引脚，其中有51个引脚可作为IO口使用，即共有51个4组（16*3+3）IO口，使用时可以通过芯片参考手册查询IO口的具体功能。

  STM32的IO内部结构如下图所示：

  STM32的IO口共有8种工作模式，四种输出模式和四种输入模式。

（一）GPIO输入工作模式

  STM32的GPIO口共有四种输入模式：

    浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入。

1. 浮空输入
   
     浮空输入模式下，上拉和下拉电阻不导通，施密特触发器打开；输入信号延1->2->3输入到输入数据寄存器，CPU读取输入数据寄存器中的值从而读取到输入的高低电平。

2. 上拉输入
   
     上拉输入模式下，上拉电阻（30~50k）导通，其他与浮空输入一样。
     上拉电阻就是把不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，即将输入电平拉高；此电阻还起到限流的作用。

3. 下拉输入
   
     下拉输入模式下，下拉电阻（30~50k）导通，其他与浮空输入一样。
     下拉电阻就是把不确定的信号通过一个电阻钳位在低电平，即将输入电平拉低；此电阻还起到限流的作用。

拉电阻相关知识可参考：STM32学习笔记之关于上拉电阻、上拉电阻的接法和使用

4. 模拟输入
   
     模拟输入模式下，上下拉电阻和施密特触发器都不导通，输入信号经模拟输入通道输入。

（二）GPIO输出工作模式

  STM32的GPIO口共有四种输出模式：
    开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出。

5. 开漏输出
   
     开漏输出模式下，CPU往位设置/清除寄存器写入数据，映射到输出数据寄存器，然后输入到输出控制电路，若设置输出信号为1，N-MOS管会截止，IO口输出的电平由外部的拉电阻决定，若设置输出信号为0，N-MOS管会导通，将输入信号拉低到VSS，IO口将输出低电平。
     开漏输出模式下，CPU可以通过输入电路读取输出的信号，但是在设置输出为1的情况下，IO口输出由外部拉电阻确定，所以读取到的不一定是想要输出的数据。
6. 开漏复用输出
   
     开漏复用输出模式工作原理基本与开漏输出模式一样，只是信号来源不同，开漏模式下信号来自CPU，需要经过位设置/清楚寄存器和输出数据寄存器；开露服用模式下信号来自片上外设。
7. 推挽输出
   
     推挽输出模式下，输出信号来自于CPU，若设置输出信号为1，N-MOS管截止，P-MOS管导通，将输出信号拉高到VDD，IO口将输出高电平；若设置输出信号为0，P-MOS截止，N-MOS导通，将输出信号拉低到VSS，IO口将输出低电平。
8. 推挽复用输出
   
     推挽复用模式下，输出信号来自于片上外设，其他与推挽输出模式一样。
9. 推挽输出与开漏输出的区别
    (1)推挽输出可以输出强高强低电平，连接数字器件。
    (2)开漏输出只可以输出强低电平，高电平得靠外部拉电阻拉高。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。适合做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对较强。
10. 一般模式下，输出信来自于CPU，复用模式下，输出信号来自于片上外设。

GPIO口8中工作模式参考资料：stm32I/O的8种工作模式具体含义是什么？

二、GPIO相关寄存器配置

  STM32的每一组IO口都包括七个寄存器：
  通过配置这七个寄存器，可以控制一组（16个）GPIO口。
（一）端口配置低寄存器（GPIOx_CRL）
  GPIOx_CRL是32位的寄存器，每4个位控制一个IO口，CRL控制标号为0-7的8个IO口。具体配置方式如下图：


（二）端口配置高寄存器（GPIOx_CRH）
  GPIOx_CRH是32位的寄存器，每4个位控制一个IO口，CRH控制标号为8-15的8个IO口。配置方式与CRL一样，只是控制的IO口不一样。

（三）端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）
  GPIOx_IDR是32位的寄存器，只用到了它的低16位（一组16个IO口），每个位控制该组IO的一个IO口，对应的是IO口的输入电平。

（四）端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）
  GPIOx_ODR是32位的寄存器，只用到了它的低16位（一组16个IO口），与IDR寄存器相反，ODR控制的是IO口的输出电平，每个位控制一个IO口输出高电平或者低电平。

  若CRL/CRH中配置为输入模式，即输入模式下，可通过配置ODR的最低位来设置输入上拉下拉模式：

（五）端口位设置/清除寄存器（GPIOx_BSRR）
  GPIOx_BSRR是32位的寄存器，对位设置/清除寄存器BSRR进行设置从而间接的对数据输出寄存器ODR进行设置；BSRR寄存器低16位对应位设置为1，那么IO口输出为高电平，对应位设置为0，IO口将不产生任何影响；高16位的作用与低19位相反。

（六）端口位清除寄存器（GPIOx_BRR）

（七）端口复用
 端口复用是指一些端口可以作为IO口，也可以作为一些外设的引脚；这样可以最大限度的利用端口资源。 STM32的大部分端口都具有复用功能。

（七）端口重映射功能
  端口重映射就是可以把某些功能引脚映射到其他引脚，这样可以方便布线。比如说串口1的默认引脚是PA9,PA10,我们可以通过配置重映射将它映射到PB6,PB7。