代码收藏家技术教程 2022-12-30

STM32入门指南：GPIO实现原理

一.GPIO的简介

GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。

最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。

最基本的输入功能是检测外部电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

GPIO的复用：

STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。比如说串口就是GPIO复用为串口

二.GPIO工作模式—–输入

GPIO剖图如图所示

我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式这里我们简单的介绍下：

保护二极管： IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT时，上方的二极管导通，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
上拉、下拉电阻：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平
TTL施密特触发器：基本原理是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；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号也就是高低电平并且是TTL电平协议这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式 P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭
注： VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V

1.浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。MCU直接读取I/O口电平，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别。

上图红色的表示便是浮空输入的过程，外部输入时0读出的就是0，外部输入时1读出的就是1，外部没有输入IO处于阻塞读不出电平状态。

　　用处：感觉在信号处理方面用的比较好，比如在读取一段一段的波形，可以清晰的知道什么时候是0信号，什么时候是1信号，什么时候是没有信号的。

2.上拉输入模式

IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平

STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

上拉输入和浮空输入的区别是，上拉电阻的开关关闭了，如上图所示。IO没有输入的时候，IO电平等于VDD即1电平，当然IO输入低电平的事就是VDD和IO口形成一个闭环电路，根据分压法IO口出分担的电压为0。当然IO输入为1时，IO口电压和VDD相等，上拉电阻好比断开了，IO口的电压还是0。

　　用处：在按键使用的时候特别适用，按键的一端接地，一端接IO口，当按键没有按下的时候电平为高电平，当按键按下的时候IO是低电平。

　　小计：

　　上拉输入，不管输入1还是不输入IO的电平都是1，输入0是IO口的电平是0

　　PS按键是共地还是共VCC选择的时候要慎重

3.下拉输入模式

IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平

下拉输入和上拉输入的区别是，上拉电阻的开关打开了了，下拉电阻的开关关闭；了。如上图所示。IO没有输入的时候，IO电平等于VSS即0电平，当IO输入高电平的时候IO口就和VSS组成一个闭合电路，根据分压法，电压都分担到了电阻上，所以IO口电平为高电平。当然IO输入为低电平的时候，IO口肯定是低电平。

　　用处：在按键使用的时候特别适用，按键的一端接VCC，一端接IO口，当按键没有按下的时候电平为低电平，当按键按下的时候IO是高电平电平。

　　PS按键是共地还是共VCC选择的时候要慎重。

4.模拟输入模式

当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作"模拟输入"功能，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态

当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出

除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律要配置为复用功能模式，

模拟输入和其他输入最大的区别

　　1、没有连接TTL触发器，这样保留最原始的电压值，不是转换过后的0和1信号

　　2、数据连接的终点不一样，其他的输入我们都是读取输入寄存器的值，而模拟输入，数据直接送到片上外设，一般是ADC。

三.GPIO工作模式—–输出

1.开漏输出模式

在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态

并且此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。，I/O口的电平不一定是输出的电平。

2.推挽输出模式

在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平，外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平

类比：　学过51单片机PO口，对PO口就是类似的开漏输出， PO口作为输出的时候一定要加上拉电阻，加上上拉电阻后，输入寄存器为1的时候，n-mos截止截止了，好比IO和输出端断开，这是IO口点压就等于上拉电阻的电压。这样变输出了高电平，如果IO口的高电平，连接到了外设低电平的，就会产生电流，电流不会流到IO口，（N-mos管截止了）直接流到外设。是不是增大了驱动能力了。（IO口的驱动能力有限，不能容忍大电流）。

3.复用开漏输出

GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态除了输出信号的来源改变其他与开漏输出功能相同。

4.复用推挽输出

GPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态除了输出信号的来源改变其他与开漏输出功能相同。

开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：

可以输出强高低电平，连接数字器件

推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.

开漏输出：

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. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)；

在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平。

推挽输出电路：其中IN端输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当IN端输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平

开漏输出电路：IN端输出低电平时，三极管导通，使输出接地，IN端输出高电平时，三极管截止，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须接上拉电阻，

在STM32中选用IO模式:

上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要"线与"功能的总线电路中。
推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

四.GPIO模式总结

在 STM32 中选用 IO 模式
（1）浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做 KEY 识别， RX1
（2）带上拉输入_IPU——IO 内部上拉电阻输入
（3）带下拉输入_IPD—— IO 内部下拉电阻输入
（4）模拟输入_AIN ——应用 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电
（5）开漏输出_OUT_OD ——IO 输出 0 接 GND， IO 输出 1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出
高电平。当输出为 1 时， IO 口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样 IO 口也就可以
由外部电路改变为低电平或不变。可以读 IO 输入电平变化，实现 C51 的 IO 双向功能
（6）推挽输出_OUT_PP ——IO 输出 0-接 GND， IO 输出 1 -接 VCC，读输入值是未知的
（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C 的 SCL,SDA）
（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
STM32 设置实例：
（1）模拟 I2C 使用开漏输出_OUT_OD，接上拉电阻，能够正确输出 0 和 1；读值时先
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以读 IO 的值；使用
GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；
（2）如果是无上拉电阻， IO 默认是高电平；需要读取 IO 的值，可以使用带上拉输入_IPU 和浮空输入
_IN_FLOATING 和开漏输出_OUT_OD；
通常有 5 种方式使用某个引脚功能，它们的配置方式如下：
1）作为普通 GPIO 输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能
该引脚对应的所有复用功能模块。
2）作为普通 GPIO 输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复
用功能模块。
3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4）作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引
脚对应的某个复用功能模块。
5）作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所
有复用功能模块。

五.GPIO配置用法

1.cubemx配置GPIO前的基本配置

（1）打开cubemx选择stm32f103c8t6

（2）配置系统伏仿真调试接口，在System Core 目录下单击SYS选项，将其中的Debug选项选为Serial Wire, 此时PA13 PA14引脚会被占用，配置图如下：

（3）配置系统时钟源，在System Core 目录下单击RCC选项，将其中的High Speed Clock( HSE )选项选为Crystal/ceramic resona…, 此时PD0 PD1引脚会被占用，配置图如下：

2.GPIO输出模式的配置

（1）配置GPIO PC13引却为输出,在右侧图中单击PC13引脚，在出现的选项选框中选择GPIO_Output 选项，选完后在在System Core 目录下单击GPIO选项,在GPIO子项中单击列表中的PC13,可看查看到PC13的详细设置参数.默认如下图配置，为推挽输出。

GPIO output level:指的是单片机一通电，默认的io口的电平。

GPIO mode:配置模式的选择。有两种

GPIO Pull-up/ Pull-down:上下拉的选择，有三种

Maximun output speed:输出速度的选择。有三种

User Label:自定义该io口的命名。

（2）配置开漏输出，选择上拉输出

3.GPIO输入模式的配置

（1）配置GPIO PC13引却为输入,在右侧图中单击PC13引脚，在出现的选项选框中选择GPIO_Iutput 选项，选完后在在System Core 目录下单击GPIO选项,在GPIO子项中单击列表中的PC13,可看查看到PC13的详细设置参数.

(2)输入模式的选择，可在输入时选择上下拉的配置，分边对应的浮空，上拉，下拉的模式

4.配置完成后生成代码

5.相关GPIO代码

（1）设置为推挽输出配置完成生成工程，下面介绍调用的函数，首先是GPIO控制函数：

HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)

例如我想要控制PA0为高电平：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);

我想要控制PA0为低电平：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET);

下面是GPIO的自动翻转的函数：

void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

例如控制PA0自动翻转

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0)；

（2）设置为输入配置完成生成工程，下面介绍调用的函数，首先是GPIO控制函数：

HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0);

if(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1))
{
	HAL_Delay(20);
	if(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1))
	{
		key_val=1;
	}
	while(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1));
}

还有其他更多的按键扫描方式，较为常用的是状态机矩阵按键扫描法，但是这种方法需要不断的扫描IO口，尽管没有延时但依旧占用大量的CPU资源，如果系统较复杂可能回影响系统的实时性能。

在高度复杂的系统中最好采用矩阵基于中断的矩阵键盘扫描法，即在普通状态下无需扫描，只当按键被按下触发了中断才进行一次按键扫描。