STM32个人笔记--GPIO框图

笔记来源于STM32F103VET6，野火指南者，中文参考手册，HAL库开发手册和b站的野火指南者入门篇视频。观看过好多次入门篇了，但往往理解得不够全面，现记下小笔记，用来回顾。属于个人笔记，不用于商业。

目录

1.保护二极管及上、下拉电阻

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 2.P-MOS管和N-MOS管

        先看MOS的基础知识。参考链接：

       然后看推挽输出，下图是推挽输出的等效电路图。

        再看开漏输出，下图是开漏输出的等效电路图。

        总的来说，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 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为 5 伏，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 5 伏的电平，如下图。

3.输出数据寄存器（ODR） 

4.复用功能输出

5.输入数据寄存器（IDR）

6.复用功能输入

7.模拟输入输出

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上图为GPIO框图，详细划分七个部分。

1.保护二极管及上、下拉电阻

        引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入。

        当引脚电压高于 VDD 时，上方的二极管导通，如下图标志1箭头所示，IO引脚电压往VDD方向，没有直接进去芯片内部把内屏内部烧坏。

        当引脚电压低于 VSS 时，下方的二极管导通，如下图标志2箭头所示，VSS往IO引脚电压方向，没有直接进去芯片内部把内屏内部烧坏。防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。

        尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，这会导致保护二极管烧坏，就起不到保护作用了，直接流入芯片内部，把芯片烧坏。

        如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

VCC表示模拟信号电源+(电压不限)，GND表示模拟信号地-。

VDD表示数字信号电源+(一般为3.3V或5V)，VSS表示数字电源地-。

 2.P-MOS管和N-MOS管

        GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使 GPIO 具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

        先看MOS的基础知识。参考链接：

http://t.csdn.cn/30Mqvhttp://t.csdn.cn/30Mqv1)三个极的判定：

G极(gate)—栅极，不用说比较好认
S极(source)—源极，不论是P沟道还是N沟道，两根线相交的就是
D极(drain)—漏极，不论是P沟道还是N沟道，是单独引线的那边 

2）N沟道和P沟道判别

箭头指向G极的是N沟道
箭头背向G极的是P沟道 

3）寄生二极管方向判定

无论N沟道还是P沟道MOS管，中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭头方向总是一致的：
要么都由S指向D，要么都有D指向S

       然后看推挽输出，下图是推挽输出的等效电路图。

        根据GPIO框图，输出数据寄存器作为INT输入，输出数据寄存器可输出0和1。

        当输入1时，经过反相器后变为0，即G极为0。对于下方，Ug=Us，截止。对于上方，Us>Ug，导通。OUT对外输出1。

        当输入0时，经过反相器后变为1，即G极为1。对于上方，Ug=Us，截止。对于下方，Ug>Us，导通。OUT对外输出0。

        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（推），N 管负责拉电流（挽），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。

        再看开漏输出，下图是开漏输出的等效电路图。

         开漏输出只能输出低电平。如果需要输出高电平，则需要外加上拉电阻。

        在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。

        当输入1时，经过反相器后变为0，即G极为0。对于上方，不工作，选择无视。对于下方，Ug=Us，截止。OUT悬空（既不输出高电平也不输出低电平），呈现高阻态。如果需要输出高电平，则需要外加上拉电阻。

        当输入0时，经过反相器后变为1，即G极为1。对于上方，不工作，选择无视。对于下方，Ug>Us，导通。OUT对外输出0，即输出低电平。

        它具有“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，0 伏。

        总的来说，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 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为 5 伏，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 5 伏的电平，如下图。

3.输出数据寄存器（ODR） 

        前面提到的双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器 GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。根据STM32中文参考手册，有下图。

4.复用功能输出

        “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，通过图中的梯形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。

5.输入数据寄存器（IDR）

        看 GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器 GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。

TTL肖特基触发器：也叫施密特触发器。大于2.0V时，输出高电平1；小于0.8V时，输出低电平0。信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，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。

TTL肖特基触发器也称施密特触发器，遵守TTL电平标准。

输出低电平L：<0.4        ;        H>2.4

输入低电平L：<=0.8       ;       H>=2.0

在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。

FT代表5V容忍。

6.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。

7.模拟输入输出

        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，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。

下面对GPIO初始化进行描述，例子为LED的R灯。

void LED_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

	//配置LED R时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

	//配置LED R---PB5
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	
	GPIO_Init(LED_R_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruct);
	
	//关闭LED R
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);
}

再看看Key的初始化。

void KEY_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

	//配置KEY1时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

	//配置KEY1-PA0
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
}

然后，对于GPIO的结构体，有。

typedef struct
{
  uint16_t GPIO_Pin;              //IO引脚，这个参数可以是GPIO_pins_define的任意值  

  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;   //引脚速度，这个参数可以是GPIOSpeed_TypeDef的任意值

  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;     //引脚工作模式， 这个参数可以是GPIOMode_TypeDef的任意值
}GPIO_InitTypeDef;

对于GPIO结构体的GPIO_Pin，可选择

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001)  /*!< Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002)  /*!< Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  /*!< Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008)  /*!< Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  /*!< Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  /*!< Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040)  /*!< Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  /*!< Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100)  /*!< Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  /*!< Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400)  /*!< Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800)  /*!< Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000)  /*!< Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000)  /*!< Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  /*!< Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000)  /*!< Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /*!< All pins selected */

对于GPIO结构体的GPIO_Speed，可选择

typedef enum
{ 
  GPIO_Speed_10MHz = 1,
  GPIO_Speed_2MHz, 
  GPIO_Speed_50MHz
}GPIOSpeed_TypeDef;

对于GPIO结构体的GPIO_Mode，可选择

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,        //开漏输出
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,        //推挽输出
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,         //开漏复用输出
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18          //推挽复用输出
}GPIOMode_TypeDef;