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)

2024.7.19 第一次修订

2024.8.18 第二次修订，后期不再维护

posted @ 2024-08-18 14:53 hazy1k 阅读(25) 评论(0) 编辑收藏举报

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