关于GPIO（一）：开漏、推挽、浮空等模式详解

开漏、推挽、浮空等IO模式详解

作为单片机中最基础的部分，一开始学习和使用时并没有深层次的去了解过，导致后面做项目的时候走过不少坑。下面以STM32单片机为例对这部分做一个比较详细的总结。

下面为STM32F1系列单片机的IO基本结构图，本文参考此结构进行解析。

　　整体介绍

1. 1.  此部分为单片机IO引脚，其中VDD为单片机电源，VSS为单片机地。图中的二极管为保护作用，当IO引脚的电平大于VDD并且压差大于此二极管的导通电压时，电流会经过此二极管直接到VDD，保证单片机不被损坏。下面的二极管作用相同。此外部分IO引脚会有VDD_FT标识，此标志代表当前IO兼容5V。
   2. 此部分为单片机的上下拉电阻，当单片机作为输入模式时，如果没有上下拉电阻会让单片机IO处于浮空状态，此时IO的电平极易受到外部干扰，所以在使用单片机的输入模式时一般会配置为输入上拉（默认高电平）和输入下拉（默认低电平）。注意通常情况下上下拉电阻的阻值都是比较大的。
   3. 此部分为单片机的输出端，由两个MOS管构成，其MOS管的G级由输出控制，具有推完输出、开漏输出和当PMOS导通NMOS关闭时，相当于IO口直接接VDD，当NMOS导通PMOS关闭时，相当于IO口直接接GND。一般MOS管导通时会有mΩ级别的导通电阻，其具体值与制造工艺及种类相关。
   4. TTL肖特基触发器，由肖特基管构成的施密特触发器，用于对输入信号整形，采用TTL电平。
   5. 输入数据寄存器，存储当前IO口状态。读此寄存器返回值为上次采样的IO状态。
   6. 输出数据寄存器，用于控制当前IO状态。读此寄存器返回值为上次写入的值。
   7. 位设置/清除寄存器，改变单个引脚状态不影响其他引脚。

　　分类介绍

 输入模式状态图

 

─ 输入浮空（GPIO_Mode_AIN）

　　浮空输入状态下上拉电阻和下拉电阻全部被关闭，TLL肖特基触发器处于打开状态，输出驱动器可看作关闭状态。此时IO的电平完全由外界控制，外界电平信号通过TLL肖特基触发器到输入数据寄存器，TLL肖特基触发器原理在此篇章不多做赘述，其主要功能是当输入信号大于正向阈值电压及向外输出高电平，当输入信号小于反向阈值电压及向外输出低电平。IO口的电平在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器。

─ 输入上拉和输入下拉

　　　　输入模式下，IO的电平状态完全由外部决定，由于外部电平有极大地不确定性。所以一般情况下设置为输入状态时都会增加上拉或下拉电阻。简单的举一个按键IO的例子（一般使用时会有外部上下拉和消抖，此处仅做演示）。

 

　　　　 如上图所示，当按键按下时IO口的电平被拉低。但是当按键没有按下时，此时IO处于悬空状态。会出现电平不稳定，在0-VCC之间来回跳动。为了防止在IO设置为输入状态后外界不能提供一个稳定的电平导致电平不稳定，我们在设置IO模式时可以对其增加内部的上拉电阻。这样在按键没有被按下时IO就是一个高电平，按键按下时出现下降沿变成低电平。不会出现IO电平不稳定的情况。

 

─ 模拟输入

 

 

 

　　　　模拟输入，一般ADC功能使用此模式。设置成模拟输入后肖特基触发器被关闭，输出值被强制置0。直接采样当前IO的实际电平值。

输出模式状态图

─ 开漏输出

　　　　开漏输出可理解为漏极开路（OD门，针对MOS管）或集电极开路（OC门，针对三极管）。

　　　　开漏输出时，图中P-MOS被关闭。此时IO电平由N-MOS和外界控制。当输出低电平时，N-MOS导通，IO电平被拉低。输出高电平时，N-MOS关闭，此时IO状态由外部决定。所以开漏输出无法真正的输出高电平，想让其输出高电平必须外接上拉电阻。可以通过读输入数据寄存器来确定当前引脚状态。简单介绍一下常用此配置的情况。

1. 1. 可以控制其他电平逻辑。例如想要控制一个高电平为12V，低电平为0V的逻辑，可以通过外加一个上拉电阻，接到12V电源上。这时候输出低电平时正常输出0，输入高电平时由外部上拉把电平控制在12V。
   2. 可以实现线与功能（需要外部上拉）。
   3. 输出高电平时可当做输入口使用。可以通过读输入数据寄存器来确定当前状态。

─ 推挽式输出

 　　　　一般推挽输出为IO使用最多的模式，此状态下IO具有真正的输出高低电平能力。由于此模式输出高低电平时等同于VCC和GND，所以使用时需要多加注意。当多个IC的IO连接时，需要看情况增加限流电阻，防止出现推挽模式下高低电平直连的情况。

　　　　一般单片机对IO口灌电流和拉电流的大小会有说明，设计电路是应考虑IO的驱动能力，防止灌/拉电流过大损坏IO口。

─ 复用功能

　　　　本篇对次不做介绍。

写在最后：

　　本来打算写的深入一点的，但是好多东西整理起来比较麻烦，感觉没有说的很透彻，以后有时间再更新吧。笔者自身也在学习阶段，对上述内容不敢保证百分百正确，文中若有错误之处欢迎指正。

小一啊  2023.10.31