详细了解STM32----GPIO

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文章目录

  • 一、什么是GPIO?
  • 二、GPIO基本结构
  • 三、GPIO的输入输出模式
    • 1、推挽输出
    • 2、开漏输出
    • 3、复用推挽
    • 4、复用开漏
    • 1、浮空输入
    • 2、上拉输入
    • 3、下拉输入
    • 3、模拟输入
  • 总结


一、什么是GPIO?

GPIO是单片机上的通用输入输出端口的简称,可以通过软件来控制其输入输出。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。

关于芯片引脚的分类:电源管脚、晶振管脚、复位管脚、下载管脚、BOOT管脚、GPIO管脚。

如下图(STM32系统板原理图)中的带P什么的都是STM32的引脚,其中大部分引脚都是用作GPIO,不过也可以用作其它作用,比如说PA9既可以用作GPIO,也可以用作USART1_TX引脚,具体用作什么需要我们后期自己去配置。
详细了解STM32----GPIO_第1张图片

二、GPIO基本结构

如下图是GPIO的内部电路构成:
详细了解STM32----GPIO_第2张图片
没有学过硬件的同学看到这张图也不用担心,王老师带你们看,首先我们从右向左看,最右边是不是有两个二极管,这个是保护二极管,二极管的作用是不是单向导通,那它是怎么起保护作用的呢?我们先来看上面的二极管。

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众所周知,STM32的运行电压一般是3.3V,有些引脚也能接受5V的电压,当然,除了某些AD引脚之外,AD是什么?AD就是我们单片机中的一个模数转换器。现在假设我们输入一个Vc电压,Vc是大于STM32的可接受的电压范围,此时,我们可以发现上面的那个二极管是接了一个VDD的,VDD是什么?VDD是一般外接了一个3.3V的电压,好,看到这里我们怎么去看了呢?别着急,我们可以用整体法,如下图:
详细了解STM32----GPIO_第4张图片
我们可以把这个分为两个部分,第一个是内部的电路,第二个是那个保护二极管,我们可以发现,这两个部分是不是构成了一个并联电路呀?并联电路的特点是什么?电压相等吧,还有分流,此时,当我们输入一个VDD时,1部分的电压就会被2部分的电压拉低,从而起到了一个保护作用。下面的二极管亦是如此。

三、GPIO的输入输出模式

GPIO一共有八种输入输出模式,其中有四种输出模式:推挽输出、开漏输出、复用推挽以及复用开漏,四种输入模式:浮空输入上拉输入、下拉输入以及模拟输入。下面我们来一一介绍一下GPIO的各种模式。

1、推挽输出

详细了解STM32----GPIO_第5张图片
如图黄色部分是推挽输出的电路,我们从左往右看。输出嘛,肯定能输出一个高低电平,但这个是如何在我们写1的时候输出高电平,写0的时候输出一个低电平的呢?
假设我们现在写了一个1,1被输入到输出数据寄存器,然后被输入到了输出控制电路,重点来了,输出控制电路中有一个反相器,什么是反相器?反相器就是当我们写1的时候经过反相器输出的是一个0,当我们写0的时候经过反相器输出的是一个1,好,知道这一点之后我们回到刚刚我们写1。此时经过反相器,两条支路都输出了一个0,好,此时我们又要了解P·MOS管和N·MOS管,其中P·MOS管是低电平导通,N·MOS管是高电平导通,P·MOS管接了一个VDD,上面我们说过,VDD是外接了一个3.3V的电压,此时IO端口连接到P·MOS管,而P·MOS管又连了一个VDD,故此时IO端口就会输出一个高电平,同理我们写0的时候N·MOS管导通,而N·MOS管连接了VSS,而VSS是接地的,所以此时我们IO端口输出一个低电平。

2、开漏输出

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通过上图我们可以发现,开漏输出和推挽输出的电路有所区别,区别就是在开漏输出中,我们的P·MOS管是没有参与开漏输出这整个过程的。所以开漏输出有一个特点,就是不能输出一个高电平,当我们写1的时候开漏输出是没有任何输出的,此时的IO端口状态我们称之为高阻态。

3、复用推挽

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从上图我们可以发现,推挽和复用推挽的区别就在于复用推挽没有经过输出数据寄存器,而是来自片上外设模块,什么是片上外设呢?就是GPIO啊,ADC啊,IIC等等一些ST公司拿到ARM公司给的内核之后往上面添加的一些外设设备。好,知道这些之后,其它的就跟推挽输出差不多了,也能输出一个高低电平。

4、复用开漏

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复用开漏和复用推挽一样,都是来自片上外设模块,而且没有经过输出数据寄存器,其它的也和普通开漏输出模式一样,这里我们也不详细介绍了。

介绍完输出模式之后我们来介绍一下输入模式。

1、浮空输入

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如图黄色部分就是浮空输入的电路了,我们可以从右往左看,输入嘛,也就是外接了一个什么设备,然后IO端口读取这个外设输入进来的高低电平,我们看浮空输入,顾名思义,当我们既没有输入高电平也没有输入低电平的时候,此时IO端口的状态是浮空的,在空闲状态IO端口的电平既不是高电平也不是低电平。
然后这个还经过了一个TTL施密特触发器,众所周知,STM32板子是识别TTL信号的,什么是TTL信号呢?就像是0101这种高低电平的信号,如下图
详细了解STM32----GPIO_第10张图片
我们输入到IO端口的一般是模拟信号,而单片机只识别TTL信号,故我们需要经过一个TTL施密特触发器来将模拟信号转化为TTL信号,然后再输入到输入数据寄存器中

2、上拉输入

详细了解STM32----GPIO_第11张图片
上拉输入和浮空输入的区别就是有一个接了VDD开关的上拉电阻,当我们IO端口没有输入任何高低电平的时候IO端口的默认状态是高电平。

3、下拉输入

详细了解STM32----GPIO_第12张图片
我们可以看到,下拉输入有一个接了VSS开关的下拉电阻,当我们IO端口没有输入任何高低电平的时候IO端口的默认状态就是低电平。

3、模拟输入

详细了解STM32----GPIO_第13张图片
如图,模拟输入和以上三种输入的最大区别就是没有经过TTL施密特触发器,然后直接输入到片上外设模块,这个模式我们一般在用到ADC数据采集的时候会把引脚配置成模拟输入。

总结

GPIO端口一共有八种输入输出模式:
其中输出模式有:
推挽输出,开漏输出,复用推挽,复用开漏
输入模式有:
浮空输入,上拉输入,下拉输入,模拟输入

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