STM32 GPIO 工作原理
STM32F4074 GPIO 原理
STM32的GPIO
GPIO即微处理器通用输入/输出接口。微处理器通过向GPIO控制寄存器写入数据可以控制GPIO的输入/输出模式，实现对某些设备的控制或信号采集的功能。另外，也可以将GPIO进行组合配置，实现较为复杂的总线控制接口和串行通信接口。
STM32微处理器的GPIO被分为很多组，每组有16个引脚，如型号为STM32F407IGT6的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC至GPIOI共9组GPIO，该芯片共176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引脚连接到LED，就可以控制LED的亮灭，引脚连接到继电器或三极管，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，可通过电平高低区分按键是否被按下。
GPIO的基本结构和工作原理
STM32的GPIO引脚是微控制器与外部硬件通信的接口。每个GPIO引脚都包含多个寄存器，用于控制引脚的模式、输出类型、速度、上拉/下拉等。GPIO的基本工作原理是通过编程这些寄存器来实现引脚的各种功能。
这边的电路图稍微提一下：
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。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。
P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。
TTL肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。
这里需要注意的是，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的；如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。
GPIO的工作模式
GPIO支持4种输入模式（浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入）和4种输出模式（开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出）。同时，GPIO还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。
每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字被访问。
- GPIO_Mode_AIN 模拟输入
- GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
- GPIO_Mode_IPD 下拉输入
- GPIO_Mode_IPU 上拉输入
- GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
- GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
- GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
- GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出
输入模式
GPIO引脚可以配置为输入模式，用于接收外部信号。在输入模式下，引脚的状态由外部电路驱动，微控制器则读取这些状态。STM32提供了四种输入模式：
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。也就是说，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。
浮空输入：引脚处于高阻抗状态，不连接内部上拉或下拉电阻。这种模式通常用于按键输入等场景，因为在此模式下，引脚的电平完全由外部电路决定。
示例：设计一个按钮控制LED的电路。按钮接在一个配置为浮空输入的GPIO引脚上。当按钮按下时，引脚电平被拉低，微控制器检测到这个变化并控制LED点亮。
上拉输入模式
上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。
上拉输入模式：内部上拉电阻连接到引脚，当外部电路未驱动引脚时，引脚被上拉到高电平。这种模式适用于外部信号为低电平时有效的情况。
示例：设计一个带有上拉输入的传感器接口。传感器输出低电平表示检测到目标，高电平表示未检测到。将传感器连接到配置为上拉输入的GPIO引脚上，当传感器检测到目标时，引脚被拉低，微控制器读取到这个变化并执行相应操作。
下拉输入模式
下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。
下拉输入模式：内部下拉电阻连接到引脚，当外部电路未驱动引脚时，引脚被下拉到低电平。这种模式适用于外部信号为高电平时有效的情况。
示例：设计一个带有下拉输入的开关接口。开关断开时，引脚处于高电平；开关闭合时，引脚被拉低。将开关连接到配置为下拉输入的GPIO引脚上，微控制器可以读取引脚状态来判断开关的状态。
模拟输入模式
模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。
模拟输入模式：引脚用于接收模拟信号，通常与ADC（模数转换器）一起使用。在此模式下，引脚对模拟信号进行采样，并将其转换为数字值供微控制器处理。
示例：设计一个温度传感器接口。温度传感器输出模拟电压信号表示温度值。将传感器连接到配置为模拟输入的GPIO引脚上，并使用ADC读取引脚上的电压值。微控制器可以根据电压值计算出温度值并进行处理。
输出模式
开漏输出模式
开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。
开漏输出模式：开漏输出模式下，引脚可以输出低电平，但不能主动输出高电平。当引脚输出低电平时，内部N-MOS管导通；当引脚需要输出高电平时，需要外部上拉电阻将引脚拉高。这种输出模式适用于需要与其他设备共享引脚的场景。
示例：设计一个I2C总线接口。I2C总线上的设备需要共享SDA和SCL引脚。将这两个引脚配置为开漏输出模式，并使用外部上拉电阻将引脚拉高。通过编程控制引脚输出低电平或释放引脚（即不输出低电平），从而实现I2C总线上的数据传输。
开漏复用输出模式
开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。
推挽输出模式
推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。
推挽输出模式：推挽输出模式下，引脚可以输出高电平和低电平。当引脚输出高电平时，内部P-MOS管导通，N-MOS管截止；当引脚输出低电平时，内部N-MOS管导通，P-MOS管截止。这种输出模式提供了较强的驱动能力。
示例：设计一个LED闪烁电路。将LED的正极连接到配置为推挽输出的GPIO引脚上，负极接地。通过编程控制引脚周期性地输出高电平和低电平，从而实现LED的闪烁效果。
推挽复用输出模式
推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。
总结与分析
什么是推挽结构和推挽电路？
推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。
推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。
开漏输出和推挽输出的区别？
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。适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)；
推挽输出:可以输出强高、低电平，连接数字器件。
关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：
该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器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+；当比较器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。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。
在STM32中选用怎样选择I/O模式？
- 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1_
- _带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
- 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入_
- _模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
- 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_
- _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
- 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）
原文
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/79858906
