代码收藏家技术教程 2023-12-28

STM32 GPIO引脚基础介绍与使用详解

1、GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口（General-purpose input/output）的英文简写。STM32的GPIO端口有四种输入模式和四种输出模式。输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等；输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等。

I/O 端口的每个位均可自由编程，但必须按照 32 位，即以字为单位访问（不允许半字或字节访问） I/O 端口寄存器。每个 GPIO 引脚都可以由软件配置成输出（推挽或开漏）、输入（浮空输入、上拉输入或下拉输入）或其它的外设功能端口。多数 GPIO 引脚都与数字或模拟的外设共用。 I/O 引脚的外设功能可以按需锁定，以避免意外的写入 I/O 寄存器。所有的 GPIO 引脚都有大电流通过能力。

2、GPIO基本结构

这是GPIO的硬件结构框图，可以从这个框图中清晰的了解GPIO外设极其各种应用模式，最右端的I/O引脚就是STM32芯片引出的GPIO引脚，其它的部件都位于芯片内部。

关键器件解析：

1、保护二极管：防止I/O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。

2、TTL肖特基触发器：将模拟信号转化为0和1的数字信号，但当GPIO作为ADC采集电压通道时，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。

3、P-MOS、N-MOS：单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的功能。

3、GPIO工作模式

GPIO一共有8中工作模式。分别是浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入、开漏输出、推挽输出、开漏复用输出、推挽复用输出。

3.1 浮空输入模式

在浮空输入模式下，I/O端口的电平信号有外部输入决定，当I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，引脚的电平状态不确定。浮空输入模式通常用于配置USART的RX引脚。

3.2 上拉输入模式

在上拉输入模式下，I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，电平状态保持在高电平，当输入低电平时，电平状态是低电平。

3.3 下拉输入模式

在下拉输入模式下，I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，电平状态保持在低电平，当输入高电平时，电平状态是高电平。

3.4 模拟输入模式

在模拟输入模式下，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。模拟输入通常应用于ADC模拟输入，或者低功耗下省电等情景。

3.5 开漏输出模式

在开漏输出模式下，位设置/清除寄存器写入的值会被映射到输出数据寄存器，到输出控制电路，途径N-MOS管，最终输出到I/O引脚。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)。

需要注意N-MOS管的特性，当设置输出的电平状态为高电平时，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端口内部或者外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的电平状态为低电平时，则N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。

3.6 推挽输出模式

推挽输出模式和开漏输出模式有一定的区别，其控制输出的寄存器是一样的。输出控制电路输出1的时候，P-MOS管导通，N-MOS管截止，这样I/O口电平就会被P-MOS管拉高，输出强高电平；相反，当输出控制电路输出0时，P-MOS管截止，N-MOS管导通，I/O端口电平被N-MOS管拉低，输出强低电平。同样，输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。

需要注意P-MOS管和N-MOS管的特性，当设置输出的电平状态为高电平时，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；当设置输出的电平状态为低电平时，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。

3.7 开漏复用输出模式

开漏复用输出模式的原理和开漏输出模式的原理基本一致，只不过输出的高低电平不是由MCU配置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值决定，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的（通信接口（SPI，UART，I 2 C，USB，CAN，LCD等）、定时器、调试接口等复用）。开漏复用输出模式通常用于TX1、MOSI、MISO等引脚的配置。

3.8 推挽复用输出模式

推挽复用输出模式的原理和推挽输出模式的原理基本一致，只不过输出的高低电平不是由MCU配置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值决定，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的（通信接口（SPI，UART，I2 C，USB，CAN，LCD等）、定时器、调试接口等复用）。推挽复用输出模式通常用于I2C的SCL、SDA引脚的配置。

3.9 注意事项

推挽输出可以输出强高低电平（高电平为3.3V），一般用来连接数字器件。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。

开漏输出只可输出强低电平，高电平需要靠外部电阻拉高。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。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）。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伏电平。

4、GPIO相关寄存器

每个 GPIO 端口有两个 32 位配置寄存器（ GPIOx_CRL， GPIOx_CRH）、两个 32 位数据寄存器（GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR）、一个 32 位置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）、一个 16 位复位寄存器（GPIOx_BRR）、一个 32 位锁定寄存器（ GPIOx_LCKR）。

4.1 端口x配置低寄存器（GPIOx_CRL）（x = A…E）

4.2 端口x配置高寄存器（GPIOx_CRH）（x = A…E）

4.3 端口x输入数据寄存器（GPIOx_IDR）(x = A…E)

4.4 端口x输出数据寄存器（GPIOx_ODR）（x = A…E）

4.5 端口x置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）（x = A…E）

4.6 端口x复位寄存器（GPIOx_BRR）（x = A…E）

4.7 端口x配置锁定寄存器（GPIOx_LCKR）（x = A…E）

5、GPIO库函数

5.1 函数GPIO_DeInit

5.2 函数AFIODeInit

5.3 函数GPIO_Init

//    GPIO_InitTypeDef定义于文件“stm32f10x_gpio.h”
typedef struct
{
    u16 GPIO_Pin;
    GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
    GPIOMode_TypeDef  GPIO_Mode;
} GPIO_InitTypeDef

GPIO_Pin选择待设置的GPIO管脚，使用操作符”|“可以一次选中多个管脚，可以使用下表中的任意组合。