GPIO框图剖析

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，如型号为STM32F103VET6型号的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC 至GPIOE 共5 组GPIO，芯片一共100 个引脚，其中GPIO就占了一大部分，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引脚接入到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输入电平，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。

1.png

基本结构分析

保护二极管及上、下拉电阻

引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于VDD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。尽管有这样的保护，并不意味着STM32的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

P-MOS管 和 N-MOS管

推挽输出：
推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。
在该结构中输入高电平时，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3 伏。

2.png

开漏输出模式：
上方的 P-MOS 管完全不工作，如果我们控制输出为 0，低电平，则 P-MOS 管关闭， N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平)时，则 P-MOS 管和 N-MOS 管都关闭，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，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0 伏。

3.png

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。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，还用在电平不匹配的场合，如需要输出 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻， 上拉电源为 5 伏， 并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出 5 伏的电平。

4.png

输出数据寄存器

前面提到的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

复用功能输出

“复用功能输出”中的“复用”是指STM32的其它片上外设对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

1
2
// GPIOB16个IO全部输出0XFF
GPIOB->ODR = 0XFF;

输入数据寄存器

看GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

1
2
3
//读取GPIOB端口的16位数据值
uint16_ttemp;
temp = GPIOB->IDR;

复用功能输入

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其它片上外设，由该外设读取引脚状态。同样，如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

模拟输入输出

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，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构，模拟信号直接输出到引脚。

工作模式

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
//8种工作模式
typedef enum
{
GPIO_Mode_AIN = 0x0,//模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,//浮空输入
GPIO_Mode_IPD = 0x28,//下拉输入
GPIO_Mode_IPU = 0x48,//上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,//开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,//推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,//复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18//复用推挽输出
} GPIOMode_TypeDef;

输入模式（上拉、下拉、浮空、模拟）

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC 采集。

输出模式（推挽、开漏）

在输出模式中，推挽模式时双MOS管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的选项。此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。

在输出模式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。

复用功能（推挽、开漏）

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR 无效;输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

通过对GPIO寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO的工作模式，再强调一下，要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO外设中，控制端口高低控制寄存器CRH和CRL可以配置每个GPIO的工作模式和工作的速度，每4个位控制一个IO，CRH 控制端口的高八位，CRL控制端口的低8位，具体的看CRH和CRL的寄存器描述。

5.jpg

6.jpg

参考引用：

1、野火—《零死角玩转STM32-F103霸道》
2、《STM32F1xx中文参考手册》
3、《Cortex-M3内核编程手册》