代码收藏家 STM32 GPIO引脚的8种工作模式详解
目录
一、GPIO基本介绍
二、GPIO基本结构分析
1、保护二极管
2、上拉、下拉电阻
3、施密特触发器
4、P-MOS管和N-MOS管
三、GPIO的8种工作方式
1、浮空输入
2、上拉输入
3、下拉输入
4、模拟输入
5、开漏输出
6、推挽输出
7、复用开漏输出
8、复用推挽输出
一、GPIO基本介绍
什么是GPIO？
General Purpose Input Output:通用输入输出端口；
作用：控制或者采集外部器件的信息的外设；
STM32 GPIO简介
GPIO特点：1、不同型号的芯片，IO数量可能不同；2、IO口每次翻转需要2个时钟周期；3、每个IO口都可以作为中断；4、支持8中工作模式；
电气特性：
工作电压范围：2V-3.6V；不接5V；
输出电流：单个IO口，最大电流为25mA；
GPIO识别电压范围：-0.3V—1.164V(低电平) 1.833V—3.6V（高电平）；
二、GPIO基本结构分析
在上图中，有端的I/O引脚，即为开发板上实实在在的引脚；此外，还有一些元器件需要提前进行介绍：
1、保护二极管
保护二极管共有两个，分别接VDD与VSS;其作用为保护引脚外部过高或过低的电压输入。
当引脚输入电压高于 VDD 时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于 VSS 时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。
虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大 电流的接入很容易烧坏芯片；
2、上拉、下拉电阻
上下拉电阻的作用是，当对应的IO口没有输入时，即没有外部的上、下拉电压，该引脚的电 平由上拉、下拉电阻决定；
电阻阻值大概在 30~50K 欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作， 则引脚电平为低。如果都不开启，引脚处于浮空状态，即电平不确定；
3、施密特触发器
施密特触发器就是一种整形电路，可以将非标准方波，整形成方波；
特点：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；
当输入在正负阈值电压之间，输出不改变；
4、P-MOS管和N-MOS管
这两个元器件主要控制的是GPIO的开漏输出与推挽输出模式；
开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行；
推挽输出：这两个MOS管每次只有一只导通，所以导通的损耗小、效率高，输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。
三、GPIO的8种工作方式
| 模式名称 | 特点 |
| 浮空输入 | 可读取引脚电平，若引脚悬空，则输入电平不确定 |
| 上拉输入 | 可读取引脚电平，若引脚悬空，则输入高电平 |
| 下拉输入 | 可读取引脚电平，若引脚悬空，则输入低电平 |
| 模拟输入 | 专门用于模拟信号的输入 |
| 开漏输出 | 输出引脚电平，高电平为高阻态（电平不确定），低电平为VSS |
| 推挽输出 | 输出引脚电平，高电平为VDD，低电平为VSS |
| 复用开漏输出 | 由片上外设控制，输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平为VSS |
| 复用推挽输出 | 由片上外设控制，输出引脚电平，高电平为VDD，低电平为VSS |
1、浮空输入
1、上拉/下拉电阻为断开状态；
2、施密特触发器打开；
3、输出被禁止；
输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部引脚电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。
2、上拉输入
1、上拉电阻导通；
2、施密特触发器打开；
3、输出被禁止；
上拉输入模式下，外部引脚为高电平，输入为高电平；外部引脚为低电平，输入为的低电平。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么其输入电平由上拉电阻拉至高电平。但是上拉电阻的阻值较大， 所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。
3、下拉输入
1、下拉电阻导通；
2、施密特触发器打开；
3、输出被禁止；
下拉输入模式下，外部引脚为高电平，输入为高电平；外部引脚为低电平，输入为的低电平。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么其输入电平由下拉电阻拉至低电平。但是下拉电阻的阻值较大， 所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。
4、模拟输入
1、上下拉电阻断开；
2、施密特触发器关闭；
3、双 MOS 管也关闭
其他外设可以通过模拟通道输入输出。该模式下需要用到芯片内部的模拟电路单元单元，用于 ADC、DAC、MCO 这类操作模拟信号的外设。
5、开漏输出
1、上下拉电阻断开；
2、施密特触发器打开；
3、P- MOS 管关闭、N-MOS管打开；
P-MOS 被“输出控制”控制在截止状态，因此 IO 的状态取决于 N-MOS 的导通状况， N-MOS 还受控制于输出寄存器；IO口的输出状态为低电平或高阻抗。
此外。施密特触发器是工作的，即可以进行输入，且上下电阻都断开，可以看做为浮空输入；
根据上图我们进行分析，开漏输出如何进行工作？首先，P-MOS管断开，则输出引脚IO的输出状态2与P-MOS管毫无关系；
P-MOS管打开，且受1处输出数据寄存器进行控制，当输出寄存器输出0时，经过“输出控制”的去翻操作后，输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通， 使得 IO 引脚连接到 VSS，即输出低电平。如果输出数据寄存器的值为 1，经过“输出控制” 的取反操作后，输出逻辑 0 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止。又因为 P-MOS 管是一直截止的，使得 IO 引脚呈现高阻态，即不输出低电平，也不输出高电平。
故开漏输出只能输出低电平与高阻抗状态，且可以以浮空输入的状态进行读访问状态；
6、推挽输出
1、上下拉电阻断开；
2、施密特触发器打开；
3、P- MOS 管打开、N-MOS管打开；
P-MOS管与N-MOS都打开，故引脚可输出低电平 VSS 或者高电平 VDD。
此外。施密特触发器是工作的，即可以进行输入，且上下电阻都断开，可以看做为浮空输入；
如果输出数据寄存器①的值为 0，经过“输出控制”取反操作后，输出逻辑 1 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VSS，即输出低电平。
如果输出数据寄存器的值为 1 ，经过“输出控制”取反操作后，输出逻辑 0 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 0 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VDD，即输出高电平。
另外在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态（浮空输入）。 由于推挽输出模式下输出高电平时，是直接连接 VDD，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达 25mA，但是芯片的总电流有限，所以并不建议这样用，最好还是使用芯片外部的电源。
7、复用开漏输出
1、上下拉电阻断开；
2、施密特触发器打开；
3、P- MOS 管关闭、N-MOS管打开
一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚， 这就是 IO 口的复用功能。
在开漏输出的基础上，一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择作为其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。
在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态，同时外设可以读取 IO 口的信息 。
8、复用推挽输出
1、上下拉电阻断开；
2、施密特触发器打开；
3、P- MOS 管打开、N-MOS管打开；
一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚， 这就是 IO 口的复用功能。
在推挽输出的基础上，一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择作为其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。
在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态，同时外设可以读取 IO 口的信息 。
总结：本节我们对于GPIO做了最基础的认识，主要包括基本结构的分析以及8种工作模式的讲解以及电路图的分析，这对于后面正式学习起到一个基础作用，在后面的学习中我们也会不断地用到这些知识。
创作不易，还请大家多多点赞支持！！！
