第4章 GPIO介绍

第四章 GPIO介绍

在学习STM32之前我们应该是学过51单片机的，对于GPIO这个概念我们应该有初步的理解，但是STM32和51又有很多不一样，下面开始介绍。

1. GPIO简介

GPIO就是通用输入输出端口的简称，简单来说就是我们可以控制的引脚，通过这些引脚我们控制各种外部设备。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

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。

2. GPIO框图解读

2.1 基本结构分析

下面我们按图中的编号对GPIO端口的结构部件进行说明。

2.1.1 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。

2.1.2 P-MOX管和N-MOS管（重点嗷）

GPIO引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向输入模式结构，向下流向输出模式结构。

让我们先看一下输出模式部分，线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

所谓的推挽输出模式，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，经过反向后，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，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。（也就是高电平P导通对外输出高电平，低电平N导通对外输出低电平）当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通， P管负责灌电流，N管负责拉电流，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，参考下图，它是推挽输出模式时的等效电路。

而在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通。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。

它具有“线与”特性，也就是说，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。（就好像&逻辑，全为1才为1，有一个0全为0）

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。

2.1.3 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。

// GPIOB 16个IO全部输出 0XFFFF-高电平
GPIOB->ODR = 0XFFFF;

2.1.4 复用功能输出（第二功能）

“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。

2.1.5 输入数据寄存器

再观察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TTL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。

// 读取GPIOB端口的16位数据值
uint16_t temp;
temp = GPIOB->IDR;

关于更多输入数据寄存器可以参考：明解STM32—GPIO理论基础知识篇之寄存器原理 - Sharemaker - 博客园 (cnblogs.com)

2.1.6 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。

2.1.7 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。

2.2 GPIO工作模式

总结一下，由GPIO的结构决定了GPIO可以配置成以下模式：

// GPIO 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;

在固件库中，GPIO总共有8种细分的工作模式，大致归类为以下三类：输入/输出模式，复用功能

2.2.1 输入模式（模拟/浮空/上拉/下拉）

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。

参考：【硬件】关于上拉输入、下拉输入、模拟输入、浮空输入、推挽输出、开漏输出、复用输出的区别_上拉输入和下拉输入的区别-CSDN博客

2.2.2 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2，10，50MHz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。（平时我们默认开最大，因为对功耗要求不高）

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。

2.2.3 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，可工作在推挽及开漏模式，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。

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。

关于复用功能更多信息：STM32-IO引脚复用-原理和使用 - jym蒟蒻 - 博客园 (cnblogs.com)

3. 小结

我们再来简单回顾一下GPIO的八种模式

模式	功能说明	用途
输入浮空	引脚没有上下拉电阻，处于浮空状态	读取外部数字信号（例如按钮）
输入上拉	内部上拉电阻连接到 VCC（高电平）	用于需要外部信号时常保持高电平的场合（例如按钮输入）
输入下拉	内部下拉电阻连接到 GND（低电平）	用于需要外部信号时常保持低电平的场合（例如按钮输入）
推挽输出	能同时输出高电平和低电平，驱动外部负载	控制 LED、继电器等外部设备
开漏输出	只有低电平输出，高电平由外部电源通过上拉电阻提供	I2C 总线等需要多设备共享线的通信接口
复用推挽输出	外设功能，提供推挽输出	用于外设信号输出，如 UART、SPI、I2C 数据传输
复用开漏输出	外设功能，提供开漏输出	用于外设信号输出，如 I2C 总线的 SDA/SCL
模拟模式	用于模拟信号输入/输出，无上下拉电阻	ADC 输入、DAC 输出、传感器信号输入

2024.7.19 第一次修订

2024.8.18 第二次修订，后期不再维护

2024.12.7 新增小结章节

posted @ 2024-08-18 14:53 hazy1k 阅读(74) 评论(0) 编辑收藏举报

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