【STM32零基础入门教程03】GPIO输入输出之GPIO框图分析

         本章节主要讲解点亮LED的基本原理，以及GPIO框图的讲解。

  如何点亮LED（输出）

        首先我们查看原理图，观察电路图中LED的连接情况，如下图可以看出我们的板子中LED一端通过限流电阻连接的PB0另一端连接的是高电平VCC，那么我们将PB0位置接地是不是灯就亮了，那我们就想办法在这一端通过单片机让这一端接地就可以了，具体怎么做到我们循序渐进后面一点点慢慢来。（和我使用的板子不一样也没有关系，原理是相通的我们学会原理其他的就不算问题了）。

如何识别按键是否按下（输入）

       如下图所示当我们的开关闭合时单片机IO口引脚处的电压为GND，这样我们就可以通过单片机读取单片机IO的电平状态判断按键是否闭合了，具体怎么使用我们看下文。

  GPIO的基本概念

        通过上面的讲解我们已经知道了如何点亮LED灯，那么我们用单片机如何控制呢？这里需要引入GPIO的概念。

        通常我们管GPIO叫做通用输入输出口，这里的关键词输入输出，我们点亮LED需要用到这个输出功能。我们接下来看下，在STM32单片机中是如何实现的输入输出功能。

        上图是我们在STM32中文参考手册中找到的关于GPIO的框图，需要注意的是这个框图位于芯片内部，图中I/O引脚处表示的是单片机的引脚，这个引脚与芯片外部相连，像我们说的PB0就是一个I/O引脚。

GPIO输入分析

        接下来我们来详细分析这个IO口框图，首先看上半部分，这部分表示的是输入，如下图所示。

                IO口引脚连接一个电压时，电流会按照箭头的方向流动，首先我们看下1处，这里由两个二极管组成，通常情况下在STM32单片机里VDD表示3.3V那么vss就是表示0V。当1处的电压大于3.3V时，比如5V那么二极管这的电压分布情况就如下图所示。

        可以看到二极管正极为5V负极为3.3V，那这里就产生了一个5V减去3.3v的压降，那么二极管就导通了，这高出的电压就被二极管分担了，所以能在一定程度上保护内部电路。下面的保护二极管同理。

        接下来我们像向里走，2处这里经过了两个电阻，一个电阻接VDD叫上拉电阻，一个电阻接VCC叫下拉电阻。两个电阻处都有开和关字样，这就意味着这两个上下拉电阻我们是可以通过软件进行配置的。先看上拉电阻，当上拉电阻开关闭合2处如果没有外部电压输入，那么我们这里就是VDD的电压，这里的作用显而易见（可以在外部没有电平变化的情况下给一个默认的高电平VDD），假如外部IO引脚与地连接，那么这一点的状态可以等效为下图所示。

        现在2处的电平为GND，那么我们在软件里就可以做判断了如果电平为高电平也就是1表示外面没有接低电平，反之为接低电平了（对应文章开始的图表示开关闭合了），那么如果这个上拉电阻不闭合呢？开关闭合能够识别到低电平，但是不闭合时的状态就不确定了，显然不是稳定的。（下拉电阻同样的道理）在这里我们看到了三种输入状态，上拉电阻闭合时叫上拉输入即电平默认状态为高电平，下拉电阻闭合时叫下拉输入即电平默认状态为低电平，如果上拉下拉都不闭合叫做浮空输入即默认电平状态不确定。

        下面我们接着向里走，3处有个电子元器件叫施密特触发器，他的主要作用是做电压比较的，在STM32中当IO引脚处接电压，电压经过保护二极管上下拉电阻到达施密特触发器时如果电压值大于2V，那么施密特触发器输出高电平即输入数据寄存器（4处）（如果不知道寄存器是什么可以百度搜搜，这里不赘述了）会存入一个1，其实就是输入数据寄存器对应位变为了VDD通常情况下为3.3V，那么如果这个电压低于1.8V那么施密特触发器就输出低电平，4处的输入数据寄存器就会存入一个低电平。这时候我们是不是就可以通过读取输入数据寄存器里面的值判断，IO引脚处接的是低电平还是高电平了，文章开始的开关是不是就可以判断有没有闭合了（闭合读到的是低电平）。可能有人注意到了1.8V和2V之间怎么办？这就是一个不确定输入状态了。

          5和6处我们还没有说，这两个比较特殊。先看5处，这里没有经过施密特触发器也就是说，外界输入多少电压就进去多少电压，这叫模拟输入（具体ADC章节会用到），6处经过了施密特触发器也就意味着只有0和1两种状态，这叫复用功能输入，后面会讲这里可以忽略。

GPIO输出框图分析

        好了GPIO的输入框图分析完了，我们可以看下输出了，输出我们从单片机里面向外看，先上图。

        图中0处先不用纠结，后面我们具体学寄存器时再回头看更容易些，先看1到2，这里我们对输出数据寄存器写1之后，1到了3处这是个选择器，选择上下两个线哪一个过去，下面是复用功能输出不用管他，我们假设选了上面的这跟线，这样3处的状态为1高电平状态，这里输出控制里少画了一个元器件，这个元器件叫反相器，即当我们3处为1高电平状态时4处为0低电平状态。这里又遇到了两个电子元器件，PMOS和NMOS，不要害怕这个我们只看4处的高低电平这两个元器件有什么影响就可以了。

        先看上面这个PMOS当a处为低电平时b到c导通就相当于b和c之间有一个开关，a处为低电平时开关闭合，那么VDD也就是3.3V按照红线的方向导通，如果IO引脚处连接一个负极接地的发光二极管是不是发光二极管就亮了。这种情况叫输出高电平。接下来我们看NMOS。

        如图当a处为高电平时b和c导通，相当于b和c之间有一个开关闭合了，这时如果外面接一个发光二极管，二极管正极接了VCC当NMOS处b和c之间的开关闭合，是不是电流就顺着vcc一直流到了vss处，那么灯就亮了。

        我们总结下，当输出数据寄存器写1时经过反相器变为0，这时候PMOS导通IO引脚输出高电平，当输出数据寄存器写0时经过反相器变为1，这时候NMOS导通IO引脚输出低电平。

        文章到这里就结束了，希望对您有所帮助，下章我们分析GPIO相关寄存器，并且使用寄存器点亮LED灯。