STM32基础入门——GPIO详解
目录
一.GPIO的简介
二.GPIO工作模式-----输入
1.浮空输入模式
2.上拉输入模式
3.下拉输入模式
4.模拟输入模式
三.GPIO工作模式-----输出
1.开漏输出模式
2.推挽输出模式
3.复用开漏输出
4.复用推挽输出
四.GPIO模式总结
五.GPIO配置用法
1.cubemx配置GPIO前的基本配置
2.GPIO输出模式的配置
3.GPIO输入模式的配置
4.配置完成后生成代码
5.相关GPIO代码
一.GPIO的简介
GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。
最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。
最基本的输入功能是检测外部电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。
GPIO的复用：
STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。 比如说串口 就是GPIO复用为串口
二.GPIO工作模式-----输入
GPIO剖图如图所示
我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式 这里我们简单的介绍下：
保护二极管： IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁
上拉、下拉电阻：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平
TTL施密特触发器：基本原理是当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号 也就是高低电平 并且是TTL电平协议 这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式 P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭
注： VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V
1.浮空输入模式
浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。MCU直接读取I/O口电平，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别。
上图红色的表示便是浮空输入的过程，外部输入时0读出的就是0，外部输入时1读出的就是1，外部没有输入IO处于阻塞读不出电平状态。
用处：感觉在信号处理方面用的比较好，比如在读取一段一段的波形，可以清晰的知道什么时候是0信号，什么时候是1信号，什么时候是没有信号的。
2.上拉输入模式
IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平 如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平
STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。
上拉输入和浮空输入的区别是，上拉电阻的开关关闭了，如上图所示。IO没有输入的时候，IO电平等于VDD即1电平，当然IO输入低电平的事就是VDD和IO口形成一个闭环电路，根据分压法IO口出分担的电压为0。当然IO输入为1时，IO口电压和VDD相等，上拉电阻好比断开了，IO口的电压还是0。
用处：在按键使用的时候特别适用，按键的一端接地，一端接IO口，当按键没有按下的时候电平为高电平，当按键按下的时候IO是低电平。
小计：
上拉输入，不管输入1还是不输入IO的电平都是1，输入0是IO口的电平是0
PS按键是共地还是共VCC选择的时候要慎重
3.下拉输入模式
IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平 如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平
下拉输入和上拉输入的区别是，上拉电阻的开关打开了了，下拉电阻的开关关闭；了。如上图所示。IO没有输入的时候，IO电平等于VSS即0电平，当IO输入高电平的时候IO口就和VSS组成一个闭合电路，根据分压法，电压都分担到了电阻上，所以IO口电平为高电平。当然IO输入为低电平的时候，IO口肯定是低电平。
用处：在按键使用的时候特别适用，按键的一端接VCC，一端接IO口，当按键没有按下的时候电平为低电平，当按键按下的时候IO是高电平电平。
PS按键是共地还是共VCC选择的时候要慎重。
4.模拟输入模式
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，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空 ，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态
当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出
除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，
模拟输入和其他输入最大的区别
1、 没有连接TTL触发器，这样保留最原始的电压值，不是转换过后的0和1信号
2、 数据连接的终点不一样，其他的输入我们都是读取输入寄存器的值，而模拟输入，数据直接送到片上外设，一般是ADC。
三.GPIO工作模式-----输出
1.开漏输出模式
在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定 如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态
并且此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。，I/O口的电平不一定是输出的电平。
2.推挽输出模式
在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平， 外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平
类比： 学过51单片机PO口，对PO口就是类似的开漏输出， PO口作为输出的时候一定要加上拉电阻，加上上拉电阻后，输入寄存器为1的时候，n-mos截止截止了，好比IO和输出端断开，这是IO口点压就等于上拉电阻的电压。这样变输出了高电平，如果IO口的高电平，连接到了外设低电平的，就会产生电流，电流不会流到IO口，（N-mos管截止了）直接流到外设。是不是增大了驱动能力了。（IO口的驱动能力有限，不能容忍大电流）。
3.复用开漏输出
GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效； 输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同。
4.复用推挽输出
GPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效； 输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同。
开漏输出和推挽输出的区别：
推挽输出：
可以输出强高低电平，连接数字器件
推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.
开漏输出：
可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平 合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)；
在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平。
推挽输出电路： 其中IN端输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当IN端输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平
开漏输出电路：IN端输出低电平时，三极管导通，使输出接地，IN端输出高电平时，三极管截止，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须接上拉电阻，
在STM32中选用IO模式:
上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
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。
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。
复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
四.GPIO模式总结
在 STM32 中选用 IO 模式
（1） 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做 KEY 识别， RX1
（2）带上拉输入_IPU——IO 内部上拉电阻输入
（3）带下拉输入_IPD—— IO 内部下拉电阻输入
（4） 模拟输入_AIN ——应用 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电
（5）开漏输出_OUT_OD ——IO 输出 0 接 GND， IO 输出 1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出
高电平。当输出为 1 时， IO 口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样 IO 口也就可以
由外部电路改变为低电平或不变。可以读 IO 输入电平变化，实现 C51 的 IO 双向功能
（6）推挽输出_OUT_PP ——IO 输出 0-接 GND， IO 输出 1 -接 VCC，读输入值是未知的
（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C 的 SCL,SDA）
（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
STM32 设置实例：
（1）模拟 I2C 使用开漏输出_OUT_OD，接上拉电阻，能够正确输出 0 和 1；读值时先
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以读 IO 的值；使用
GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；
（2）如果是无上拉电阻， IO 默认是高电平；需要读取 IO 的值，可以使用带上拉输入_IPU 和浮空输入
_IN_FLOATING 和开漏输出_OUT_OD；
通常有 5 种方式使用某个引脚功能，它们的配置方式如下：
1）作为普通 GPIO 输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、 带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能
该引脚对应的所有复用功能模块。
2）作为普通 GPIO 输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复
用功能模块。
3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4）作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、 带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引
脚对应的某个复用功能模块。
5）作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所
有复用功能模块。
五.GPIO配置用法
1.cubemx配置GPIO前的基本配置
（1）打开cubemx选择stm32f103c8t6
（2）配置系统伏仿真调试接口， 在System Core 目录下单击SYS选项，将其中的Debug选项选为Serial Wire, 此时PA13 PA14引脚会被占用，配置图如下：
（3）配置系统时钟源，在System Core 目录下单击RCC选项，将其中的High Speed Clock( HSE )选项选为Crystal/ceramic resona…, 此时PD0 PD1引脚会被占用，配置图如下：
2.GPIO输出模式的配置
（1）配置GPIO PC13引却为输出,在右侧图中单击PC13引脚 ，在出现的选项选框中选择GPIO_Output 选项，选完后在在System Core 目录下单击GPIO选项,在GPIO子项中单击列表中的PC13,可看查看到PC13的详细设置参数.默认如下图配置，为推挽输出。
GPIO output level:指的是单片机一通电，默认的io口的电平。
GPIO mode:配置模式的选择。有两种
GPIO Pull-up/ Pull-down:上下拉的选择，有三种
Maximun output speed:输出速度的选择。有三种
User Label:自定义该io口的命名。
（2）配置开漏输出，选择上拉输出
3.GPIO输入模式的配置
（1）配置GPIO PC13引却为输入,在右侧图中单击PC13引脚 ，在出现的选项选框中选择GPIO_Iutput 选项，选完后在在System Core 目录下单击GPIO选项,在GPIO子项中单击列表中的PC13,可看查看到PC13的详细设置参数.
(2)输入模式的选择，可在输入时选择上下拉的配置，分边对应的浮空，上拉，下拉的模式
4.配置完成后生成代码
5.相关GPIO代码
（1）设置为推挽输出配置完成生成工程，下面介绍调用的函数，首先是GPIO控制函数：
HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
例如我想要控制PA0为高电平：
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);我想要控制PA0为低电平：
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET);下面是GPIO的自动翻转的函数：
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)例如控制PA0自动翻转
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0)；（2）设置为输入配置完成生成工程，下面介绍调用的函数，首先是GPIO控制函数：
HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0);if(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1))
{
HAL_Delay(20);
if(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1))
{
key_val=1;
}
while(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1));
}
还有其他更多的按键扫描方式，较为常用的是状态机矩阵按键扫描法，但是这种方法需要不断的扫描IO口，尽管没有延时但依旧占用大量的CPU资源，如果系统较复杂可能回影响系统的实时性能。
在高度复杂的系统中最好采用矩阵基于中断的矩阵键盘扫描法，即在普通状态下无需扫描，只当按键被按下触发了中断才进行一次按键扫描。