STM32 GPIO输入输出详解与实战讲解

1.简介

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（是指输入的电压可容忍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、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

2.基本结构

内核通过总线APB2对寄存器的某一位进行操作，从而对对应的引脚进行操作，比如设置寄存器的某一位为1，其对应的引脚就输出高电平。但是stm32是32位的，也就是某一寄存器是有32位的，但是图中一个GPIO模块的只有衍生出16根引脚，因此寄存器只有低16位是被使用到的

而驱动器，由于寄存器具有临时存储数据的能力，也就是只能输出0、1相关的数据，而想要实现点灯等操作则是需要驱动器去进行帮忙

3.位结构

3.1 保护二极管

首先是I/O引脚处的两个保护二极管，上面那一个接着Vdd，而下面那则接Vss，起着保护内部电路的作用，比如：

当I/O引脚输入了大于该引脚所能容忍的最大电压的时候，电流就会往接了Vdd的保护二极管流出，而不会流入电路中，导致电路被破坏
当I/O引脚输入过低，也就是低于Vss（注意是相对电压），电流就会流入接着Vss的保护二极管，不流入内部电路

3.2 上拉/下拉 – 输入

接着是上拉电阻（Vdd）和下拉电阻（Vss），各自有一个开关，是可以通过程序去进行配置的。上面的开关闭合、下面开关不闭合就是上拉输入模式；上面的开关不闭合、下面闭合就是下拉输入模式；两个都不闭合就是浮空模式

上拉输入模式：

开关闭合（上拉电阻连接），下拉开关不闭合。

默认状态为高电平，适用于需要在没有输入时保持高电平的情况。

下拉输入模式：

下拉开关闭合，上拉开关不闭合。

默认状态为低电平，适用于需要在没有输入时保持低电平的情况。

浮空模式：

两个开关都不闭合，输入引脚悬空。

在此状态下，引脚电压没有稳定的参考值，容易受到噪声或干扰，可能导致不稳定的输入信号。

上拉电阻和下拉电阻，其实就是为了给输入提供一个默认的输入电平。因为对于一个数字端口其输入不是低电平就是高电平，可是这个高电平和低电平是有参考标准的，也就是有上拉/下拉模式来决定，如果不是设置，怎么去知道这个输入电压是高电平还是低电平。

上拉电阻（Pull-up Resistor）：

连接于输入引脚和电源（Vdd）之间。

当输入引脚没有被外部信号驱动（即处于浮空状态，如下图Key松开的时候）时，上拉电阻将引脚拉到高电平状态（接近 Vdd），提供一个默认的高电平输入。

如果引脚被外部设备驱动为低电平（如下图Key闭合，接地），那么该引脚的电压将会降到接近0V。如下：

下拉电阻（Pull-down Resistor）：

连接于输入引脚和地（Vss）之间。

**外部引脚第一种情况：**当输入引脚浮空时（下图key开关松开），下拉电阻将引脚拉到低电平状态（接近0V），提供一个默认的低电平输入。

**外部引脚第二种情况：**如果引脚被外部设备驱动为高电平（如外部引脚处接电源，下图开关闭合），那么该引脚的电压将会升高到接近 Vdd。

上拉和下拉电阻的阻值通常较大（如10kΩ、20kΩ等），以避免对输入信号造成显著影响。在大多数应用中，这样的阻值足以提供稳定的电平，同时不会显著消耗电流。

为什么要有上拉/下拉呢？？？？？

防止浮空状态：

如果不使用上拉或下拉电阻，引脚处于浮空状态时，可能会随机接收到噪声，导致误触发或不稳定的输入。这在数字电路中是不可接受的，因为它可能导致不确定的状态或逻辑错误。

提高抗干扰能力：

上拉和下拉电阻提供了一个默认状态，使得在没有外部信号输入时，电平保持稳定，从而减少外界干扰带来的影响。

设计灵活性：

通过编程配置上拉或下拉模式，可以根据应用需求灵活设置引脚的默认状态，以适应不同的硬件环境。

简化后的电路图如下：

3.3 施密特触发器 – 输入

施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开回路配置中用于抗扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。

信号传输的时候肯定是有失真现象产生的，如果输入进来的电压产生了失真，那么是不太好去转换为数字信号从而去辨别是1、0的。什么是失真？？？以数字信号为例子，看下图：

可以看出当信号传输的时候发生严重失真的时候，是很难去辨别的。而如果是模拟信号（电压）产生了失真，不对其进行整形，那么数字电路就很难去根据其电压高低去转化为对应的0、1数字信号。

如上图，原来失真的模拟信号（黑色曲线）整形为数字电路能够处理的方波波形（红色线）

施密特触发器通过设置两个阈值电压来对失真的模拟信号进行整形，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；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位时所对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。

3.4 至片上外设 – 输入

有模拟输入和和复用功能输入

模拟输入接收的是模拟量，比如接到了ADC内设上，输入的是模拟量，因此该线接在了施密特触发器前

而复用功能输入接收的则是数字量，因此接在了施密特触发器后，接收的是经过整形后的数字电路处理后的数字信号。

简化后的模拟输入电路图如下：

3.5 寄存器 – 输出

输出数据寄存器，就是普通的IO口输出，写该寄存器的某一位就能操作对于的端口了。该寄存器是对应16个端口的，如果想要使用某一位端口，就需要使用 &或| 操作去进行。

位设置/清除寄存器：可以单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响输出数据寄存器的其它位

第一种：通过读取出输出数据寄存器的数据，然后根据需要使用的端口号来采用按位与、按位或的方式对数据进行更改，然后将数据写回输出数据寄存器，就能操作某一个端口

第二种：直接去操作位设置/清除寄存器，比如想对输出数据寄存器位1处写1，那么只要在位设置/清除寄存器和输出数据寄存器位1对应的位处置1，那么内部电路就会将输出数据寄存器位1处改为1，剩下的位保持不变，这样就不需要进行按位与、或的操作了（库函数中采用的就是这种方法）

3.5 MOS管 – 输出

两个MOS管：P-MOS和N-MOS

可以把MOS管当作一种电子开关，信号来控制MOS开关的导通和关闭，而MOS开关则负责将IO口接到VDD或者VSS，从而实现输出高电平或低电平。

一共有三种输出模式：推挽、开漏以及关闭。

推挽模式：P-MOS和N-MOS均有效。数据寄存器输出1时，上管P-MOS导通，下管N-MOS断开，输出直接接到VDD，也就是IO引脚输出高电平。数据寄存器输出0时，反过来，输出低电平。这种模式高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式又叫强推输出模式，stm32对IO口有绝对的控制权，高低电平有它说了算

开漏模式：上管P-MOS是无效的，只有下管N-MOS在工作。因此数据寄存器输出1时，由于上管断开，输出就是相当于断开，也就是高阻模式；当输出0时，输出的就是低电平。所以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。

也就是说，如果输出1，那么上管P-MOS无效，此时得依靠外部引脚接一个上拉电阻输出高电平。

这种模式可以作为通讯协议的驱动方式，比如I2C协议，这个在之前的文章也有讲解过，在多机通信的情况下可以避免各个设备的相互干扰。

同时开漏模式可以输出5V的电平信号。就是当寄存器输出1时，高阻模式，通过外部IO口接一个上拉电阻，从而将输出电压拉高至5V

对于这个开漏输出的MOS管，我觉得还挺像NPN三极管的，有输入0的时候才会导通，导致输入引脚接地为低电平。和开漏模式的两个MOS管情况很像，也是输出0的时候下管导通，接地，外部引脚为低电平。这一点可以看开头的文章链接中的介绍

关闭模式：就是输入模式的时候，MOS全关闭，端口的电平由外部的信号来控制。

开漏/推挽输出简化后的电路图如下：

复用开漏/推挽输出：

就是输出由由片上外设控制的，可以看到输出数据寄存器在内部电路是断开的。

不要认为说输出的时候就不能输入，其实也是可以的，在输出的时候可以顺便接收读取一下片上外设输入的电平。

4.GPIO工作模式

通过上面对内部位结构的讲解，其实GPIO的工作模式可以分为以下内容：

模式名称	性质	特征
浮空输入	数字输入	可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定
上拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平
下拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平
模拟输入	模拟输入	GPIO无效，引脚直接接入内部ADC
开漏输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接VSS
推挽输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS
复用开漏输出	数字输出	由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS
复用推挽输出	数字输出	由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS