嵌入式STM32 单片机 GPIO 的工作原理详解

STM32的 GPIO 介绍

GPIO 是通用输入/输出端口的简称，是 STM32 可控制的引脚。GPIO 的引脚与外部硬件设备连接，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

以 STM32F103ZET6 芯片为例子，该芯片共有 144 脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口（GPIO）组，分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同时每组 GPIO 口组有 16 个 GPIO 口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中 x 为0-15。

STM32的大部分引脚除了当 GPIO 使用之外，还可以复用为外设功能引脚（比如串口）。

GPIO基本结构

每个 GPIO 内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。

电路图说明

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 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。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。

TTL肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。

需要注意，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口是兼容3.3V和5V的；如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。

STM32的GPIO工作方式

GPIO支持4种输入模式：

• 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)

GPIO支持4种输出模式：

• 开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)

• 开漏复用输出(GPIO_Mode_AF_OD)

• 推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP)

• 推挽复用输出(GPIO_Mode_AF_PP)

同时，GPIO 还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。每个I/O口可以自由编程，但 I/O 口寄存器必须按32位字访问。

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。也就是说，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。

上拉输入模式

上拉输入模式下，I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在 I/O 端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在 I/O 端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。

下拉输入模式

下拉输入模式下，I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在 I/O 端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在 I/O 端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。

模拟输入模式

模拟输入模式下，I/O 端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如 ADC 模块等等。

开漏输出模式

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经 N-MOS 管，最终输出到I/O端口。这里要注意 N-MOS 管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS 管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由 I/O 端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS 管处于开启状态，此时 I/O 端口的电平就是低电平。同时，I/O 端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O 端口的电平不一定是输出的电平。

开漏复用输出模式

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

推挽输出模式

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经 P-MOS 管和 N-MOS 管，最终输出到 I/O 端口。这里要注意 P-MOS 管和 N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

推挽复用输出模式

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU 直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

总结与分析

1、什么是推挽结构和推挽电路？

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

2、开漏输出和推挽输出的区别？

开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。适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)；

推挽输出：可以输出强高、低电平，连接数字器件。

关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：

该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时，下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当比较器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。

右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

3、在STM32中选用怎样选择I/O模式？

浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1。

带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入。

带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入。

模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电。

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。

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。

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）。