江科大基于标准库的GPIO八种模式在嵌入式Stm32中的应用

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（推荐先看文章：《
嵌入式-32单片机-GPIO推挽输出和开漏输出》）

下文图都是从参考手册借阅：STM32F10xxx(中文)，大概页数是110/775左右

一：GPIO输入输出原理

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口
可配置为8种输入输出模式
引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V（有FT标识）
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

二：GPIO基本结构

上图是GPIO的基本结构图。在Stm32中，所有的GPIO都挂载在APB2外设总线上。每个GPIO模块内，包括有寄存器、驱动器、引脚等 寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，从而完成输出电平和读取电平的功能。该寄存器的每一位都对应一个引脚，由于STM32是32位的单片机，所以所有的寄存器都是32位的，也就是说只有寄存器的低16位对应上了相应的GPIO口（好多时候高16位置0，低16位才真正控制寄存器）

驱动器就是增加信号的驱动能力的。

注意：stm32F103c8t6芯片上48个引脚，除了基本的电源和晶振等维持系统外，分别包括PA0~PA15、PB0-PB15、PC0 ~PC15。

三：GPIO位结构

上图分为输入部分和输出部分，看虚线框

输入部分：

整个框架从左往右依次是寄存器、驱动器、IO引脚，从上到下分为“输入”、“输出”。

最右侧的IO引脚上两个保护二极管，其作用是对IO引脚的输出电压进行限幅在0~3.3V之间，进而可以避免过高的IO引脚输入电压对电路内部造成伤害。Vdd = 3.3V,Vss = 0V。

过压保护：当I引脚输入10V时，电压从输入引脚到保护二极管再到Vdd,有电压差就能流通，这叫过压保护。

低压保护：当I引脚输入低于0V时，这叫做负电压，此时，电流流向为：从Vss →I引脚，这叫低压保护。

输入驱动器的上、下拉电阻（图中像弹簧那两根）：相应的开关可以通过程序进行配置，分别有上拉输入模式（上开关导通，下开关断开）、下拉输入模式（下开关导通&上开关断开）、浮空输入模式（两个开关都断开）。
下拉电阻的作用几时给引脚输入提供一个默认的输入电平，进而避免引脚悬空导致的不确定。都属于弱上拉，弱下拉。

输入驱动器的触发器：这里是用肖特基管构成的施密特触发器。只有高于上限、低于下限电压才进行变化，作用是对输入电压进行整形，可以消除电压波纹、使电压的上升沿/下降沿更加陡峭。也就是说，stm32的GPIO的端口会自动对输入的数字电压进行整形。比如像那种方波在变化的那个瞬间进行消抖，20ms.

“模拟输入”、“复用功能输入”：都是连接到片上外设的一些端口，前者用于ADC等需要模拟输入的外设，后者用于串口输入引脚等需要数字量的外设。

输出部分：

输出数据：可以由输出数据寄存器（普通的IO口输出）、片上外设来指定，数据选择器控制数据来源。

位设置/清除寄存器：单独操作输出数据的某一位，而不影响其他位。

驱动器中的MOS管：MOS管相当于一种开关，输出信号来控制这两个MOS管的开启状态，进而输出信号。可以选择推挽、开漏、关闭三种输出方式（推荐先看文章：《嵌入式-32单片机-GPIO推挽输出和开漏输出》），P-MOS相当于Q1,N-MOS相当于Q2

推挽输出模式：两个MOS管均有效，stm32对IO口有绝对的控制权，也称为强推输出模式。

开漏输出模式：P-MOS无效。只有低电平有驱动能力，高电平输出高阻。

关闭模式：两个MOS管均无效，端口电平由外部信号控制。

补充说明：stm32如何将数据写入寄存器？

通过软件的方式。由于stm32的寄存器只能进行整体读写，所以可以先将数据全部读出，然后代码中用&= 清零、|= 置位的方式改变单独某一位的数据，再将该写后的数据写回寄存器。此方法比较麻烦，效率不高，对于IO口进行操作不合适（这就是基于寄存器开发的麻烦之处，所以有了基于标准库的开发）

通过位设置/清除寄存器。若对某一位 置1，只需对位设置寄存器的相应位值1；若对某一位 清零，则对清除寄存器相应位 清零。这种方式通过内置电路完成操作，一步到位。

通过读写stm32中的“位带”区域。在stm32中，专门分配有一段地址区域，该区域映射了RAM和外设寄存器所有的位。读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位。整体流程与51单片机中的位寻址作用差不多。本教程不涉及。

四：GPIO的八种模式

上表给出了GPIO的八种模式，通过配置GPIO的端口配置寄存器即可选择相应的模式。

1. 每一个端口的模式由四位进行控制，16个端口就需要64位，所以这里的配置寄存器有两个（一个是端口低配置寄存器，一个是端口配置高寄存器），也就是两个32位寄存器，即端口配置低寄存器、端口配置高寄存器。
2. 输入模式下，输出无效；而输出模式下，输入有效。这是因为一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入，所以直接将输出信号输入回去也没问题。
   3.端口配置低寄存器低16位对应16个引脚，高16位没有使用；端口配置高寄存器，同样是低16位对应16个引脚，高16位没有使用。

端口位设置/清除寄存器的高16位进行位清除的，低16位是进行位设置的

寄存器：暂时记录数据的模块。

复用开漏/推挽输出：引脚的控制权转移到了片上外设
stm32串口默认是半双工的。

三极管可看成两个二极管构成（背靠背）

参考：B站STM32江协自动化&【哈工大虎慕】

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