GPIO学习笔记(基于STM32)
目录
功能框图
输出模式
推挽输出 Output push-pull
开漏输出 Output open-drain
输入模式
模拟输入 Analog
上拉/下拉/浮空输入 Input pull-up /pull-down/floating
复用功能输出
复用功能输入
如何正确选择GPIO模式
上拉电阻
下拉电阻
注意
功能框图
GPIO---General Purpose Input/Output (通用输入或输出)
AFIO---Alternate Function Input/Output(复用输入或输出)
输出模式
输出速度可配置，此处的输出速 度即 I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。
在输出模式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。
推挽输出 Output push-pull
推挽输出模式，是根据输出电路的两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。 当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P 管负责灌电流，N 管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3 伏，具体下图 ，它是推挽输出模式时的等效电路。
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。
开漏输出 Output open-drain
在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 0，低电平， 则 P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平) 时，则 P-MOS 管和 N-MOS 管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态(输出不确定信号)。即:写0输出低电平，写1输出高阻态(High Impedance)。
要想稳定输出高电平，则需要在输出高阻态的情况外接上拉电阻(STM32内部的上拉和下拉电阻是接在输入通道中的，输出通道没有上拉和下拉电阻，需要外接)。因为在此模式下，上面的MOS管断开，相当于一个无穷大的电阻，当芯片控制输出为MOS管也断开，所以它输出的信号是不确定的，当加入一个上拉电阻后，因为MOS管等效为无穷大电阻，两者并联后阻值与上拉电阻阻值相近，此时电压就全被下面的MOS管分走了，因此引脚得以输出高电平。
同时，开漏输出模式还具有“线与”特性， 也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引 脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0V。
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。除此之外， 还用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为 5V，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5V的电平。而面对其它电压不兼容的芯片的高电平信号，可以接收它的开漏的高阻态信号，使用上拉输入模式将其转换成自身的高电平，从而解决兼容问题。
输入模式
模拟输入 Analog
此模式下，内部上/下拉电阻输出缓冲器、施密特触发被禁止，读输入数据寄存器结果为0。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，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当 GPIO 引 脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能(此时GPIO工作模式还是模拟输入，并没有模拟输出这个单独的模式)，DAC 的模拟信号输 出就不经过双 MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。
上拉/下拉/浮空输入 Input pull-up /pull-down/floating
施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，会受外接因素影响上下浮动。
复用功能输出
有推挽复用(Alternate function push-pull)和开漏复用(Alternate function open-drain)
复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器 可获取 I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
“复用功能输出”中的“复用”是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制， 此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与 GPIO 本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中，通过输出控制结构作为开关切换选择。 例如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该 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。
复用功能输入
与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO 引脚的信号传输到 STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。 同样，如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚， 这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，使 USART 可以通过该通讯 引脚的接收远端数据。
如何正确选择GPIO模式
当单纯使用GPIO输出高低电平时使用推挽输出模式，当要输出高于工作电压的电压时使用开漏输出并外接上拉电阻。输入模式下，若希望无输入时引脚数据为高则采用上拉输入，若希望为低采用下拉模式，外接信号稳定时可采用浮空输入。对于复用模式则根据具体外设以及使用的外设功能来决定，STM32官方手册GPIO/AFIO对应章节有对应表格可查。
上拉电阻
B站视频做的笔记
BV1W34y1579U（up主:爱上半导体）
让单片机引脚输出高电平，在在外接负载后，单片机引脚电压降低，因为引脚内部也有内阻，外接负载会造成分压。
外接一个上拉电阻(较大，通常在100k左右)，电压会有所回升
这是因为在单片机引脚输出高电平时，上面的MOS管导通，下面的MOS截止，所以引脚的电压基本等于电源电压，外接负载时有MOS管阻抗与电源内阻分压，所以引脚电平变低。在接上上拉电阻后，上拉电阻与引脚内阻构成并联关系，可以等效为内阻减小，负载分到的电压就更大，提高了驱动能力。
前面也讲过，在开漏模式下，连接外部上拉可以使引脚在高阻态时输出高电平，而在输入模式下的上拉电阻可以在没有外部输到来时使引脚电平稳定为高。
下拉电阻
可以将引脚的不确定信号钳位在低电平
讲解时用 三极管代替触发器，方便理解，其实这个位置应该是应该施密特触发器。
集电极与基极属于反向偏置状态，两者之间有着极大的阻抗，就想断开一样，所以在没有外部输入时基极处的电压是漂浮不定的。
加入下拉电阻后，没有外部输入时，下拉电阻与三极管组成串联分压关系，而三极管内部阻抗非常大，下拉电阻的组织一般又都比较小(1k左右)，所以下拉电阻分到的电压可以忽略不计，等效为0V。在输入高电平时，下拉电阻也可以保证引脚电位为高电平，这也是为什么需要下拉电阻而不是直接接地的原因。
注意
上/下拉电阻的作用有两个，其一是开漏信号转换为电平信号，其二是在芯片刚上电的时候给一个固定的电平。上面提到的“电阻”，仅仅是一种科普，而不能应用在电路设计中。电路设计一般只用上面提到的两种情况。如果存在输出能力不够，即上拉电阻提到的“电压降低”现象，应该再加个缓冲电路，可以是缓冲门芯片/运放/开关管等。芯片刚上电但是程序没有初始化完成的时候，各引脚处于高阻Z态，这个时候它的电平不确定，有误输出的风险，所以要给一个固定的电平。