STM32 GPIO输出外设功能详解（非复用模式）

STM32外设-GPIO输出（不含复用）

GPIO（通用输入/输出口）是微控制器上可以由用户自定义控制的引脚

一，GPIO模式简介

1，输入模式

将引脚配置为输入模式，用于读取外部信号。
适用场景：读取按钮状态、传感器信号等

2，输出模式

将引脚配置为输出模式，用于驱动外部设备或信号。
适用场景：LED控制、电机驱动等

3，模拟模式

将引脚配置为模拟模式，用于模拟信号输入或输出。
适用场景：ADC读取、DAC输出等

4，复用模式

将引脚配置给某个外设的使用，如UART、SPI或I2C等。
适用场景：通信接口、定时器输出等

二，输出模式详解

1， 输出类型

共有两种输出类型：推挽输出模式和开漏输出模式，先讲一下电路原理

1，推挽输出：

下图是STM32引脚电路原理图，右边两个二极管只起 保护作用，暂时省略


我们通过HAL库的API接口函数对寄存器写入0/1，从而控制P-MOS和N-MOS的截止，达到输出高低电平的目的：
当P-MOS导通，N-MOS截止时，N-MOS处是断路，上面VDD和P-MOS处是短路，测出引脚电压为VDD（将电流推出去）

（其实VDD和P-MOS有阻抗，但是直接测引脚电压就相当于测的是内阻的电压，没有其他电阻分压测出来就是VDD）

如果此时在引脚处接一个LED，LED会被点亮

当P-MOS截止，N-MOS导通时，P-MOS处是断路，上面N-MOS处是短路，此时引脚输出低电平（将电流挽进来）

2，开漏输出

开漏输出可以输出低电平和高阻态，开漏输出时P-MOS永远截止，输出哪个状态取决于N-MOS的截止和导通（为什么叫开漏？N-MOS管的漏极的开与关决定了开漏模式的输出）

当N-MOS导通时，开漏输出与推挽输出一致，输出低电平

而当N-MOS截止时，输出的是高阻态，为什么输出的是高阻态？
了解高阻态的定义：引脚与电源和地之间呈现高电阻状态，即高阻态。此时输出引脚不对外提供确定电平信号，其电平由外部电路决定。

那高阻态有什么作用呢？
作用1：改变芯片输出的电平。如下图，STM32引脚输出3.3V，但我想让其输出5V，可以在引脚外接一个上拉电阻¹（假设为10K），根据分压原理，N-MOS阻值无穷大，绿点处是5V

作用2：利用高阻态的线与特性

线与：即只有当所有连接在一起的输出端口都输出高电平时，总的输出才为高电平；只要有一个输出端口为低电平，总的输出就是低电平 。
线或：只要连接的输出端口中有一个输出高电平，总的输出就为高电平；只有当所有输出端口都为低电平时，总的输出才是低电平 。

如下图，两个芯片外接一个上拉电阻，只有当两个引脚同时为高阻态时，才能输出高电平，有一个引脚输出低电平就输出低电平

若 GPIO 配置为开漏输出模式，默认就是高阻态状。开漏输出下，N-MOS 管用于控制输出，无外部上拉电阻时，N-MOS 管截止就会呈现高阻态 。 此外，当复用功能输出信号未有效驱动、相关寄存器配置错误，或芯片处于特定低功耗模式影响 GPIO 驱动电路时，也可能使输出进入高阻态。

1. 推挽输出模式 (Push-Pull)
   功能：可以驱动高电平（逻辑1）和低电平（逻辑0）
   工作原理：有两个晶体管配置，一个用于拉高电平，一个用于拉低电平
   优点：驱动能力强，适用于大多数数字输出应用
   缺点：高频切换时可能导致较大功耗和信号干扰
   应用示例：LED控制、开关控制、信号输出

2. 开漏输出模式 (Open-Drain)
   功能：只能拉低电平（逻辑0），高电平由外部上拉电阻提供
   工作原理：只有一个下拉晶体管，高电平依赖外部上拉电阻
   优点：支持多路信号线"线与"逻辑，适合共享总线
   缺点：无法直接驱动高电平，需要外部电阻
   应用示例：I2C总线、外部信号线共享

3. 推挽输出 vs 开漏输出

相对于51单片机只有输出0和1两种情况，STM32输出变复杂有什么好处？

2，输出速度

先来解释一下什么是输出驱动电路带宽和不失真信号：

输出驱动电路带宽：指输出驱动电路能够不失真地传输信号的频率范围，单位通常是赫兹（Hz） 即范围。也就是说，带宽越大，电路能够承受的信号频率越大，能传输的信号频率越高，信号的变化速度就可以越快。

不失真信号：信号传输时，不发生变化的信号。
举个例子：cpu执行程序先输出高电平，在输出低电平，最后输出高电平，如果信号变化很快，超出了IO的带宽，IO在输出高低高时，可能会发生：先输出高，本该变成低时没有反应过来，此时CPU又让IO输出高，整体来看，IO是一直输出高电平，发生了信号失真

GPIO 输出驱动电路主要由晶体管（通常是 MOS 管）构成，通过控制这些晶体管的导通和截止来实现信号的输出

那么STM32是如何控制输出高速信号和低速信号的呢？
有一个思路是更改高速晶体管和低速晶体管，但实际上是：改变晶体管导通和截止的速度。

1. 低速 (Low Speed) 对应2-10MHz
   特性：输出驱动电路带宽低，能通过的不失真信号最大频率低 。信号电平转换相对慢，功耗小、噪声低，产生的电磁干扰（EMI）²也较小
   适用场景：按键、LED控制等低频应用

2. 中速 (Medium Speed) 对应10-50MHz
   特性：输出驱动电路带宽适中，信号电平转换速度适中。
   适用场景：一般通信接口、显示驱动等

3. 高速 (High Speed) 对应50-100MHz
   特性：输出驱动电路带宽高，能通过高频信号，信号电平转换速度快。
   适用场景：高速总线、快速数据传输等

4. 超高速 (Very High Speed) 对应100MHz+
   特性：输出驱动电路带宽更高，信号电平转换迅速。
   适用场景：高速存储器接口、高速数据采集等

注意
更高的速度会导致:
更多的功耗
更大的电磁干扰(EMI)
更快的信号上升和下降时间
对于LED控制这类应用，通常选择低速即可，这能降低功耗并减少EMI。
因此，在实际应用中，需要根据具体的需求来合理选择 GPIO 的输出速度，在速度、功耗和 EMI 之间找到一个平衡点。

三，GPIO配置选项

再用STM32CubeMX配置GPIO引脚时，需要对下图红框的配置选项进行配置，下面我将将所有的配置选择都介绍一下

1. GPIO Mode (GPIO模式)
   决定引脚的基本工作方式，是STM32CubeMX中最基础的配置项。

配置提示： 对于LED控制，通常选择Output Mode。如果需要通过PWM控制LED亮度，则选择Alternate Function并连接到定时器。

2. GPIO Output Type (输出类型)
   当GPIO配置为输出模式时，可以选择不同的输出类型。

配置提示： 对于一般的LED控制，选择Push-Pull输出类型。对于需要共享总线的场景（如I2C），选择Open-Drain输出类型。

3. GPIO Speed (输出速度)
   决定GPIO引脚状态切换的速率和驱动能力。更高的速度设置意味着更快的电平切换速率和更强的电流驱动能力。

配置提示： 对于普通LED控制，选择Low速度即可。更高的速度会增加功耗和电磁干扰，除非应用需要，否则不要选择过高的速度设置。

4. GPIO Pull-up/Pull-down (内部的上拉/下拉电阻)
   决定GPIO引脚在未被驱动时的默认状态。

5. GPIO Label (引脚标签)
   为GPIO引脚指定一个有意义的名称，方便在代码中引用。
   命名规范：
   使用有描述性的名称，如 LED_GREEN、BUTTON_USER
   避免使用特殊字符，使用下划线分隔单词
   保持命名一致性，便于代码维护
   命名示例：

配置提示： 合理命名GPIO引脚可以大大提高代码的可读性和可维护性。CubeMX会根据标签名自动生成相应的宏定义，方便在代码中使用。

6. GPIO Signal (引脚信号)

STM32的每个GPIO引脚通常可以复用为多个不同的外设信号。例如，一个引脚可能既可以作为USART1的TX，也可以作为TIM2的通道3，还可以作为SPI3的MOSI。那么如何在CubeMX中实现GPIO引脚复用呢？

首先将GPIO配置为复用功能(Alternate Function)模式，“Signal” 选项用于指定该引脚连接到STM32内部的哪个外设的哪个具体信号。
然后通过在CubeMX的"Signal"下拉列表中选择，或者直接在代码中配置GPIO的 Alternate 字段（使用HAL库时），可以决定该引脚当前连接到哪个外设信号。
最后提供一些常见的复用功能信号类型：
TIM1_CH1 (定时器通道)
USART1_TX (串口发送)
USART1_RX (串口接收)
SPI1_SCK (SPI时钟)
SPI1_MISO (SPI主入从出)
SPI1_MOSI (SPI主出从入)
I2C1_SCL (I2C时钟线)
I2C1_SDA (I2C数据线)
ADC1_IN0 (ADC输入通道)
DAC1_OUT1 (DAC输出通道)
TIMx_CHx (定时器通道)
TIMx_ETR (外部触发)
TIMx_BKIN (刹车输入)
USARTx_TX (串口发送)
USARTx_RX (串口接收)
USARTx_CK (同步时钟)
USARTx_CTS (流控)
USARTx_RTS (流控)
I2Cx_SCL (I2C时钟)
I2Cx_SDA (I2C数据)
SPIx_SCK (SPI时钟)
SPIx_MISO (主入从出)
SPIx_MOSI (主出从入)
SPIx_NSS (片选)
I2Sx_CK (I2S时钟)
I2Sx_WS (字选)
I2Sx_SD (串行数据)
CANx_TX (CAN发送)
CANx_RX (CAN接收)
USB_OTG_FS/HS_…
ETH_… (以太网)
SDMMCx_… (SD卡)
QUADSPI_… (QSPI)
SYS_… (系统功能, 如SWD, JTAG)
RCC_… (时钟输出, 如MCO)
EVENTOUT (事件输出)

LED控制相关的信号类型：
TIMx_CHx – 定时器PWM输出通道，用于控制LED亮度
GPIO_Output – 普通GPIO输出，用于简单的LED开关控制

配置示例：通过PWM实现LED亮度控制或呼吸灯效果：
将目标GPIO引脚的模式设置为 Alternate Function Push-Pull (通常推挽输出效果更好)。
在 “Signal” 下拉列表中，选择一个可用的 TIMx_CHx (定时器通道) 信号。
转到对应的 TIMx 外设配置界面。
配置定时器的时钟源和预分频器(Prescaler)、自动重载寄存器(ARR)以设定PWM频率。
启用所选的 Channel x，并将其模式设置为 PWM Generation CHx。
配置比较寄存器(CCR / Pulse)的值来控制PWM占空比，从而控制LED亮度。
重要提示：务必查阅STM32芯片的数据手册（查找 “Alternate function mapping” 相关表格），确认所选引脚支持你想要连接的定时器通道。并非所有引脚都支持所有定时器的所有通道。

四，STM32 HAL库GPIO配置

STM32 HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层）库提供了一套完整的API来配置和控制GPIO引脚。相比直接操作寄存器，HAL库更易用且可移植性更好。

1，GPIO初始化结构体

HAL库使用GPIO_InitTypeDef结构体来配置GPIO引脚：

Pin: 要配置的引脚，如GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_1等
Mode: 引脚模式，如GPIO_MODE_OUTPUT_PP（推挽输出）
Pull: 上拉/下拉设置，如GPIO_NOPULL, GPIO_PULLUP等
Speed: 输出速度，如GPIO_SPEED_FREQ_LOW
Alternate: 复用功能选择（仅在复用模式下使用）

2，引脚复用机制

STM32微控制器的GPIO引脚可以分配给不同的外设功能，这称为引脚复用（Alternate Function）：

每个引脚可以有多达16个不同的复用功能（AF0-AF15）
例如，同一个引脚可以配置为UART发送、SPI时钟或I2C数据线
复用功能在芯片手册中有详细说明，不同系列和型号的STM32有所不同
使用GPIO_MODE_AF_PP或GPIO_MODE_AF_OD模式并设置相应的AF值

3，GPIO时钟使能

在STM32中，使用任何外设前都必须使能其时钟：

使用__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()宏来使能GPIO端口时钟
这一步骤在配置GPIO前必须完成，否则配置无效
不同的GPIO端口（GPIOA, GPIOB等）需要单独使能

4，GPIO操作函数

HAL库提供了多种操作GPIO的函数：

HAL_GPIO_WritePin(): 设置引脚输出高/低电平
HAL_GPIO_ReadPin(): 读取引脚输入状态
HAL_GPIO_TogglePin(): 翻转引脚状态
HAL_GPIO_LockPin(): 锁定引脚配置
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(): 中断处理
这些函数屏蔽了底层寄存器操作的复杂性，使得代码更清晰易读。

作者：百里东风