STM32 GPIO工作模式详解

GPIO工作模式

四种输入模式

1.上拉输入模式

引脚连连接有两个保护二极管：
当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通吸收这个高电；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。
STM32引脚是用来做控制的，不是用来做驱动的。
输入数据寄存器是由IO口经过上下拉电阻、施密特触发器，模拟信号将变为数字信号0/1，然后存储再输入数据寄存器中，通过读取输入数据寄存器IDR就可以知道IO口的电平状态。
输出数据寄存器，用于存放电平输出值。
通过修改ODR寄存器的值，就可以修改GPIO引脚的输出电平。而设置/清除寄存器BSRR可以通过修改ODR寄存器的值，影响电路的输出，实现对输出的置位或清除。

当我们将IO引脚配置为上拉输入模式时，上拉电阻部分的开关就会闭合，上拉电阻接入电路。而此时下拉电阻部分的开关不会闭合。
上拉电阻的主要作用是为引脚提供一个默认的高电平输入，即便引脚未连接任何有效的外部信号源。希望IO引脚悬空，外部电路断开时，引脚具有默认的高电平时都可以使用上拉输入模式。
若IO端口输入是低电平，MCU读到的就是低电平。
若IO端口输入的是高电平，MCU读到的是高电平。
若IO端口悬空时，MCU读到的电平是高电平。
例子：当我们设置按键的IO口时，默认松开是高电平，按下按键位低电平，这时我们就应该设置位输入上拉的方式。

2.下拉输入模式

当我们将IO引脚配置未下拉输入模式时，下拉电阻部分的开关就会闭合，下拉电阻接入电路。而上拉电阻则不会接入电路。

下拉电阻的主要作用是为引脚提供一个默认的低电平输入，即便引脚未连接任何有效的外部信号源。
下拉电阻的一端接地，另一端连接到引脚，当引脚悬空时，下拉电阻使引脚电位接近低电平，呈现低电平状态。此时输入数据寄存器就能得到一个稳定的电平信号0，这种设计就避免了引脚处于悬空状态而导致的电平不确定（或者电平的反复横跳）。
当引脚设置为下拉输入模式时：
若IO端口输入是低电平，MCU读到的就是低电平。
若IO端口输入的是高电平，MCU读到的是高电平。
若IO端口悬空时，MCU读到的电平是低电平。
希望IO引脚悬空，外部电路断开时，引脚具有默认的低电平时都可以使用下拉输入模式。

3.浮空输入模式

浮空输入模式代表上、下两个电阻都不会接入电路，那么直接将它们从电路中删除。

此时引脚直接与施密特触发器相连，然后连接到输入数据寄存器，CPU通过读取输入数据寄存器来获取引脚的状态信息。
此时引脚的电平状态完全由外部连接的电路决定，内部没有默认的上拉或下拉机制来设定默认引脚电平。
1.若引脚输入了高电压，高电压直接经过施密特触发器进行整形和抗干扰处理，随后传输至输入数据寄存器，使输入数据寄存器存储为1。这样，当CPU读取输入数据寄存器时，获取到的就是代表高电平

4.模拟输入模式

如果GPIO的引脚用于ADC（模拟转换器，将模拟信号转换为数字信号）电压采集，需要就GPIO引脚设置为模拟输入模式。
从IO口进来的电平不经过TTL施密特触发器，不需要将模拟信号转化为数字信号，直接进入片上ADC外设模块，并且IDR寄存器为空，CPU不能在IDR寄存器上读到引脚状态。（除了ADC和DAC要将IO配置为模拟通道，其他外设功能一律要将IO配置为复用功能模式）。

四种输出模式

1.开漏输出模式

控制器首先将输出值通过设置BSRR寄存器（端口位设置/清除寄存器）和ODR寄存器写入输出电平值。然后，信号通过输出控制电路和N-MOS到达输出端口，形成开漏输出。
开漏输出里，P-MOS管都不工作，当ODR寄存器为0时，N-MOS管导通，输出低电平。
当ODR寄存器为1时，N-MOS管截止，输出脚即不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。
若要在开漏模式下输出高电平，需要在高阻态的情况下，外部接一个上拉电阻。
如果微控制器要输出0，可以从IO口直接输出低电平，但如果微控制器想输出输出高电平，那么如果电路上没有额外加上拉电阻，就不能输出高电平。
开漏输出模式的输出能力比推挽输出的能力弱，在一些对输出电流要求不太高且低功耗的项目中可能用到，开漏输出还可以通过浮空输入的方式完成数据的读入。

2.推挽输出模式

P-MOS和N-MOS管同时工作，微控制器首先将输出值通过BSRR寄存器和ODR寄存器写入输出电平值。然后，信号通过输出控制电路和P-MOS和N-MOS管到达输出端口，形成推挽输出。
当ODR寄存器为1时，P-MOS管导通，N-MOS管截止，对外输出高电平。
当ODR寄存器为0时，P-MOS管截止，N-MOS管导通，对外输出低电平。
如果当切换输入高低电平时，两个MOS管将轮流导通，一个负责拉电流，电流输入到负载一个负责灌电流，负载电流流向芯片，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。
微控制器想输出0，IO就输出低电平；微控制器想输出1，IO就输出高电平。

3.复用开漏输出模式

复用开漏输出模式和开漏输出模式的区别在于，一个是从微控制器控制，一个是从外设模块上控制。

4.复用推挽输出模式

同理，推挽输出模式是从微控制器（MCU)控制，复用推挽输出模式是从外设模块控制。
复用推挽模式经常用在串口通信中。

总结

在STM32的引用当中，除了必须要使用开漏输出模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
推挽输出模式可以输出强高低电平，适用于连接数字器件；开关速度快，负载能力强。
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，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合做电流型的驱动。开漏输出一般应用于I2C通信等需要线与的功能

作者：SanLuncheEE