【STM32学习笔记4.1】GPIO基本概念

前言

本系列文章统一围绕STM32F103C8T6最小系统开发板进行记录，如涉及其他开发板将会特别说明。

GPIO基本概念

GPIO（General-purpose Inputs/Outputs，通用输入输出口），可以连接外设进行数据的传输或进行控制，也可以作为信号输入口接收信息。
STM32F103C8T6采用 LQFP48 方式封装，一共拥有 37 个 I/O 引脚，所有 I/O 接口可以映像到 16 个外部中断，并且大部份端口都可以可以兼容 5V 信号。

GPIO引脚基本电路

每个GPIO引脚都包含以下基本电路结构，以实现不同功能：

GPIO引脚电路结构

其中：

1. 二极管保护电路：防止外部输入引脚的信号电平过高造成芯片烧毁。
2. TTL肖特基触发器：将经过的模拟信号转换为0/1的二进制数字信号，输入到输入数据寄存器中。
3. 由PMOS管和NMOS管组成GPIO输出控制电路，控制推挽/开漏输出。

GPIO端口工作模式模式

GPIO端口的每个引脚可以分别配置成多种模式：

• 浮空输入(GPIO_Mode_IN_FLOATING)
• 上拉输入(GPIO_Mode_IPU)
• 下拉输入(GPIO_Mode_IPD)
• 模拟输入(GPIO_Mode_AIN)
• 推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP)
• 开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)
• 推挽复用功能(GPIO_Mode_AF_PP)
• 开漏复用功能(GPIO_Mode_AF_OD)

浮空输入

浮空就是逻辑器件与引脚浮在空中，即不接高电平，也不接低电平，呈高阻态，这种设置在数据传输时用的比较多。浮空一般用来做ADC输入用，这样可以减少上下拉电阻对结果的影响。

UART的RX口通常配置为输入浮空模式。

上拉/下拉输入

将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高/低电平。

浮空/上拉/下拉输入

模拟输入

模拟输入指传统方式的输入，数字输入指输入PCM数字信号，即0/1的二进制数字信号。
当GPIO引脚作为模拟输入时，信号不经过TTl施密特触发器（不会被分解为0/1的二进制数字信号）。

如ADC采集电压信号时配置为模拟输入。

模拟输入

推挽输出

引脚信号切换时，两个MOS管交替导通关闭。

• 特点：可以直接输出高低电平，直接驱动功耗不大的数字器件。
• 主要用途：一般应用在输出电平为 0 和 3.3 V，功耗不大，且需要高速切换开关状态的场合。

开漏输出

处于开漏输出模式时，上方的PMOS管处于关闭状态。

• IO口输出低电平时，NMOS管导通，输出为低电平。
• IO口输出高电平时，NMOS管关闭，输出既不为高电平也不为低电平，呈现高阻态。必须外接上拉电阻才能输出高电平

开漏输出常用于IIC这种总线电路，以及需要额外上拉电阻进行电平匹配的电路中。

推挽/开漏输出

复用推挽/开漏输出

如果把端口配置成复用输出功能，则引脚和输出寄存器断开，并和片上外设的输出信号连接。

如USART的TX端、通用定时器输出比较的IO口常配置为复用推挽输出。

复用推挽/开漏输出

GPIO寄存器

• 端口配置低寄存器(GPIOx_CRL)：配置低八位IO口的输入输出模式信息。
• 端口配置高寄存器(GPIOx_CRH)：配置高八位IO口的输入输出模式信息。
• 端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)：读取对应16位IO口的电平状态（只读）。
• 端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)：对相应16位IO口写入电平状态进行输出（可读可写）。
• 端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)：分别地对各个IO口进行独立的设置/清除（只能写入）
• 端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)：对相应的IO口写1会将其置为低电平，写0无变化。
• 端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)：锁定对应IO口，此时无法配置该位的模式。

为什么GPIO已经有了ODR寄存器还要有BSRR寄存器？

• 如果操作ODR寄存器，需要先读出ODR寄存器，然后修改相应的位的值，再写回ODR，分为3步。
• BSRR寄存器设置位，只需要对相应的设置或复位的位直接写1，其他位写0（BSRR只对写1有效，写0无意义，不影响原先位的电平），可以直接一步到位。

这个在实时操作系统和中断会有比较大的意义，如果使用ODR寄存器，可能在读取ODR的值后，被其他优先级更高的操作打断（该高优先级的操作可能也操作了相应ODR），等到高优先级操作完成后再返回接着设置ODR，可能这个过程中ODR的值已经改变，若我们重新写入ODR，会覆盖更高优先级配置的值。

AFIO基本概念与原理

AFIO：Alternate Fuction Input Output，复用功能输入输出接口。

• 引脚重映射：一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它端口。

• 优点：

  • 充分利用片内资源
  • 方便PCB设计，减少信号交叉干扰
  • 分时复用某些外设，虚拟地增加了端口数目

• 复用类型：

  • 默认复用：只需开启相应外设功能时钟，无需开启AFIO时钟。如PA9，PA10默认复用为USART1的TX，RX引脚
  • 重映射：需要开启相应外设功能时钟，并且开启AFIO时钟。一个引脚在一个时间段内只能使用一个外设功能！