代码收藏家技术教程 27天前

STM32 GPIO入门指南

·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

·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，外接模拟电平信号输入，ADC电压采集，模拟通信协议接受数据等

STM32是32位的单片机，其内部的寄存器都是32位的，而端口只有16位，所以这个寄存器只有低16位对应的有端口，高16位是没有用到的。驱动器是用来增加信号的驱动能力的，寄存器只负责存储数据。

GPIO位结构（以下叙述全部基于这个结构图）

输入部分

可通过程序配置选择上拉电阻或下拉电阻

如果什么都不接，此时输入就会处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变，为了避免引脚悬空导致的输入数据不确定，需要加上上拉或下拉电阻。如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平。

上拉输入：上面导通，下面断开，默认为高电平的输入模式，即低电平有效视为输入。

下拉输入：下面导通，上面断开，默认为低电平的输入模式，即高电平有效视为输入。

肖特基触发器（施密特触发器）：

引脚的波形是由外界输入的，虽然是数字信号，但实际情况下可能会产生各种失真。低于下限输出低电平，高于上限输出高电平，直到下一次低于下限才输出低电平。

作用：对输入电压进行整形。如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平；如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平。

经过施密特触发器整形的波形就可以直接写入输入数据寄存器了，再用程序读取输入数据寄存器对应的某一位的数据，就可以知道端口的输入电平了。

片上外设：

模拟输入：连接到ADC上，ADC需要接受模拟量，所以接到施密特触发器前。

复用功能输入：连接到其他需要读取端口的外设上的，比如串口的输入引脚等，这根线接受的是数字量，所以在施密特触发器后面。

输出部分

数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制，两种控制方式通过数据选择器接到输出控制部分。

如果选择通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO口输出，写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口（其中的“位设置/清除寄存器”可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位），因为这个输出数据寄存器同时控制16个端口，并且这个寄存器只能整体读写，所以想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口，就需要一些特殊的操作方式。

第一种方式是先读出这个寄存器，然后用按位与（&=）和按位或（|=）更改某一位，最后再将更改后的数据写回去。（麻烦且效率不高，对于IO口的操作而言不太合适）

第二种方式是通过设置“位设置/清除寄存器”（库函数），如果我们要对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的写0；如果我们要对某一位进行清0的操作，在位清除寄存器的对应位写1即可。

第三种方式是位带(相当于位寻址)，在STM32中，专门分配的有一段地址区域，这段地址映射了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。

输出控制之后接到两个MOS管，上面是P-MOS，下面是N-MOS。（这个MOS管就是一种电子开关，我们的信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS）在这里，可以选择推挽，开漏或关闭三种输出方式。

推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效。数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，输出高电平；数据寄存器为0时，上管断开，下管导通，输出直接接到VSS，输出低电平。这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出也可以叫强推输出模式。在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都由STM32说的算。

开漏输出模式下，这个P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作。数据寄存器为1时，下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻态模式；数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平。这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的。这个开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，这个模式可以避免各个设备的相互干扰。此外，开漏模式还可以用于输出5v的电平信号，比如在IO口外接一个上拉电阻到5v的电源，当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS；当输出高电平时，由外部的上拉电阻拉高至5v，这样就可以输出5v的电平信号，用于兼容一些5v电平的设备。

关闭输出模式，这个是当引脚配置为输入模式的时候，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制

GPIO模式

注意：
浮空输入的电平是不确定的，所以在使用浮空输入时，端口一定要接上一个连续的驱动源，不能出现悬空的状态。

如上图，在输入模式下，输出驱动器是断开的，端口只能输入而不能输出。上面两个电阻可以选择为上拉工作（上拉输入），下拉工作（下拉输入）或者都不工作（浮空输入）。然后输入通过施密特触发器进行波形整形后，连接到输入数据寄存器。

值得注意的是，右侧输入保护这里，上面写的是VDD或者VDD_FT，这就是3.3v端口和容忍5v端口的区别。下面的注释中也提到，VDD_FT对5v容忍IO脚是特殊的，它与VDD不同的。这个容忍5v的引脚，它的上边保护二极管要做一下处理，不然直接接VDD3.3v的话，外部再接入5v的电压就会导致上边二极管开启，并且产生比较大的电流，这个是不太妥当的。