STM32第二节——GPIO

1 什么是GPIO

        GPIO 就是通用输入输出端口的简称，GPIO是一种灵活的引脚（或针脚）配置，允许微控制器与外部世界进行数字输入和输出的通信。每个GPIO引脚可以被配置为输入或输出，从而使它们能够执行各种不同的任务。STM32 芯片的 GPIO 被分成很多组，每组有 16 个引脚（也有可能少于 16 个），如型号为 STM32F103VET6 型号的芯 片有 GPIOA、GPIOB、GPIOC 至 GPIOE 共 5 组 GPIO，该芯片一共 100 个引脚，其中 GPIO 引脚 就占了一大部分，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 到 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输入电平，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。

2 GPIO 框图剖析

2.1 基本结构分析

2.1.1 保护二极管及上、下拉电阻

        两个保护二极管可以防止引脚外部输入过高或过低的电压，当输入过高是上方二极管导通，过低时下方二极管导通。可以防止不正常电压引起的芯片摧毁，但是并不代表可以直接接大功率器件，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。

2.1.2 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。 所谓的推挽输出模式，是根据这两个 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，具体见图2.1，它是推挽输出 模式时的等效电路。

图2.1

 而在开漏输出模式时，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。为正常使用时必须外部接上拉电阻，参考图2.2 中等效电路。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。 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，具体 见图2.3。

图2.2

 

图2.3

         开漏输出与推完输出的区别是，开漏输出时P-MOS管始终是关闭的，F!需要外接一个上拉电阻才能输出高电平，而F4及以上的就可以在内部实现上拉。

 2.1.3 输入数据寄存器

        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。

2.1.4 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。

2.1.5 输入数据寄存器

        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。

2.1.6 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。

2.1.7 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。

3 GPIO的工作模式

        GPIO的工作模式有8中如下：

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,           // 复用开漏输出
    GPIO_Mode_AF_PP = 0x18            // 复用推挽输出
} GPIOMode_TypeDef;

3.1 输入模式（模拟、浮空、上拉、下拉）

        在输入模式时，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，完全由外部的输入决定，一般接按 键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于 ADC 采集。

3.2 输出模式（推挽、开漏）

        在输出模式中，推挽模式时双 MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 可控制 I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有 N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制 I/O 输出高阻态或低 电平。输出速度可配置，有 2MHz/10MHz/50MHz 的选项。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。

3.3 复用功能（推挽、开漏）

        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。 通过对 GPIO 寄存器写入不同的参数，就可以改变 GPIO 的工作模式，再强调一下，要了解具体 寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在 GPIO 外设中， 控制端口高低控制寄存器 CRH 和 CRL 可以配置每个 GPIO 的工作模式和工作的速度，每 4 个位 控制一个 IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低 8 位，具体的看 CRH 和 CRL 的寄存 器描述。

ps：部分内容参考自野火《STM32 HAL 库开发实战指南》