STM32控制系统外设简介（一）GPIO

一、GPIO定义及其特征

GPIO(General purpose input/output，通用输入输出)，它表示一个通用的输入输出口，它是一个在集成电路中没有特殊功能的引脚。大多数引脚都是要完成特定功能的，GPIO可以通过适当的配置完成你所需要的功能。下面介绍一下GPIO的几个常见术语：

1.1 引脚模式（PIN MODE）

所有的GPIO都可以被设置为一下三种模式：

• 输入输出（Input or output）
• 模拟量（Analog）
• 复用功能（Alternate function，AF）

1.2 引脚特征（PIN characteristics）

• 输入：上拉（Pull-up），下拉（Pull-down）和浮空（Floating）
• 输出：推挽（Push-pull），开漏（open-drain）和上拉、下拉
• 复用功能：推挽（Push-pull），开漏（open-drain）和上拉、下拉

1.3 GPIO输出速率（GPIO Output-speed）

简单来说就是引脚电平变化速度，这个速度指的是从上升沿（下降沿）速度，高速可能会导致EMI噪声并消耗STM32资源，最好是匹配外设的速度。比如说低速比较适合1HZ的点平变化，当然如果我们使用作为SPI通信使用时，速度可能达到45MHz，这时候就应该用非常高的速度。

二、GPIO八大工作模式

在介绍八大工作模式之前，我们先来看看STM32关于GPIO的设计图：

• 保护二级管（Protection diode）：这种结构能够防止电压过高、或者过低对电路造成的损坏。当外部电压大于$V_{DD}$时上边的二极管将会导通，当外部电压小于$V_{SS}$时，下边的二极管将会导通。这种电路也叫做钳位电路，在交汇处的电压始终保持在$V_{DD}$和$V_{SS}$之间；
• P-MOS和N-MOS管，是的GPIO具备“推挽输出”和“开漏输出”两种模式；
• 肖特基触发器，将相对缓慢变化的模拟信号变成矩形信号（外部的电压变成数字的0 1），当然当用作模拟输入时就不会进行转换；

2.1 浮空输入模式

浮空输入模式下，内部的上下拉电阻均不起作用，直接与输入数据寄存器相连，尝试读取此时的电平是未定义的，对外是高阻抗，这个具体数值取决于所处电路的泄露情况，对于逻辑电路设计来说，这是一种非常糟糕的做法[2]。“浮”指的是及不接受上拉电阻的拉高，也不接受下拉电阻的拉低，处于一种随机状态。

2.2 上拉输入模式

上拉输入模式内部上拉电阻起作用，引脚对外表现是高电平，输入之前默认值为低电平。

2.3 下拉输入模式

下拉输入模式内部上拉电阻起作用，引脚对外表现是低电平，输入之前默认值为高电平。

2.4 模拟输入模式

该模式下，端口的电平信号直接模拟输入到片上外设，一般时ADC模块（模拟转数字）。

2.5 开漏输出模式(Open Drain Output)

借助三极管理解这个输出的特点，它相当于将集电极直接作为对外引脚。假如不额外增加外部电源，将无法产生基极电流，此时发射极和集电极相当于短路，没有电流通过负载也就无法驱动使其工作，那么利用上拉电阻将电平拉高（如上图），当基极有控制电流时，三极管导通，电流流向发射极，负载没有电流，LED灭；当基极没有电流时，三极管相当于断路，电流全部流向负载，LED亮。实际单片机上，将三极管换成场效应管即可，场效应管漏极直接开路，当栅极存在电压时，电路导通。说了这么多，开漏输出有什么优点？

• 负载可以自行选择电压大小，而不一定要用内部上下拉确定的电压；
• 因为场效应管阻抗很大，所以电流压根不会流入或者流出栅极，对内部电路具有保护作用；
• 多个开漏输出接在一起，必须同时满足输出高电平才能对外供电，一个不满足，所有的都不工作；[4]

2.6 开漏复用输出

这种情况下，输出有外部决定，而不是由内部的CPU输出决定。

2.7 推挽输出（内部具备）

推挽输出左侧由单片机内部向外推出电流到负载，右侧单片机内部挽电流到内部。推挽输出的缺点是：

• 当两个推挽输出连接到一起，一个向外推（VCC），一个向内挽（GND），因为中间没有电阻，很有可能出现短路

优点就是，对外部负载具备驱动能力，而开漏输出就无法提供。

2.8 推挽复用输出

简单来说GPIO的复用就是将决定权由CPU转移到其他外设信号。

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[1] https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/79858906
[2] https://www.quora.com/What-does-a-floating-pin-mean-Does-that-mean-unconnected?top_ans=342251185
[3] https://www.zhihu.com/question/28512432/answer/41129662
[4] https://zhuanlan.zhihu.com/p/41942876