(笔记)GPIO基本原理与寄存器配置(STM32篇)

 

背景：因ST系列MCU在行业中应用最广，故本文以ST的MCU的GPIO进行详细讲解每一种功能应用类型的使用。

 

一、STM32F10X 引脚说明

STM32F103ZET6一共有7组IO口，每组IO口有16个IO，分别为GPIOA~GPIOG，每组分别为PA0到PA16，STM32F103RCT6一个有4组IO口，分别为GPIOA到GPIOD，不同的是此芯片的GPIOD组只有GPIOD0至D2 三个IO口，并非16个。这就是常用F1系列的芯片引脚，其大部分引脚不仅可以当作GPIO使用，还可以复用为外设功能引脚，比如说串口引脚(USART，TIM等)。

 

二、GPIO的基本结构和工作方式

I/O端口位的基本结构

 

 

IO脚的基本工作方式：

STM32 的 IO 口相比 51 而言要复杂得多，所以使用起来也困难很多。首先 STM32 的 IO 口可以由软件配置成如下 8 种模式：

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 输入浮空模式

（2）GPIO_Mode_IPU 输入上拉模式

（3）GPIO_Mode_IPD 输入下拉模式

（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入模式

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出模式

（6）GPIO_Mode_AF_OD 开漏复用输出模式

（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出模式

（8）GPIO_Mode_AF_PP 推挽复用输出模式

 

三、GPIO的基本工作方式讲解

 

♣输入浮空模式

在此状态下，I/O口的电平信号进入输入数据寄存器，此时的I/O电平信号是不确定的，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。且电压具有不确定性。

 

♣输入上拉模式

上拉就是将一个不确定的信号拉到一个固定的值，如上图所示，通过I/O口来的信号就被上拉电阻拉到了VDD。所以，和浮空输入相比来说，当I/O口被悬空的状态下，输入端的电平可以保持在高电平。

 

♣输入下拉模式

 

下拉与上拉类似，通过I/O口来的信号被下拉电阻拉到了VSS，当I/O口被悬空的状态下，输入端的电平可以保持在低电平。

 

♣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。

 

♣开漏输出模式

 

输出寄存器上的‘0’激活N-MOS，而输出寄存器上的‘1’将端口置于高阻态（P-MOS从不被激活）。

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。

所以开漏输出只能输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。

 

♣开漏复用输出模式

 

开漏复用与开漏类似，只是电平信号的来源如图所示不是来自CPU的输出数据寄存器，而是来自片上外设模块。

 

♣推挽输出模式

 

输出寄存器上的‘0’激活N-MOS，而输出寄存器上的‘1’将激活P-MOS。

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。

所以推挽输出可以输出强高低电平，连接数字器件。

 

♣推挽复用输出模式

 

推挽复用与推挽类似，只是电平信号的来源如图所示不是来自CPU的输出数据寄存器，而是来自片上外设模块。

 

四、GPIO功能总结

1. 浮空：顾名思义就是浮在空中,上面用绳子一拉就上去了,下面用绳子一拉就沉下去了.
2. 开漏：就等于输出口接了个NPN三极管,并且只接了e,b. c极 是开路的,你可以接一个电阻到3.3V,也可以接一个电阻到5V,这样,在输出1的时候,就可以是5V电压,也可以是3.3V电压了.但是不接电阻上拉的时候,这个输出高就不能实现了.
3. 推挽：就是有推有拉,任何时候IO口的电平都是确定的,不需要外接上拉或者下拉电阻.

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:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 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).

 

开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。
2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）
3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
4. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充：什么是“线与”？：
5. 在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑.
6. 其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。
7. 由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。
8. 上拉输入/下拉输入/模拟输入：这几个概念很好理解，从字面便能轻易读懂。
9. 复用开漏输出、复用推挽输出：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）

 

最后总结下使用情况：

在STM32中选用IO模式

1. 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1
2. 带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
3. 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
4. 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
5. 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
6. 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
7. 复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
8. 复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

 

STM32设置实例：

1. 模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD，接上拉电阻，能够正确输出0和1；读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以读IO的值；使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；
2. 如果是无上拉电阻，IO默认是高电平；需要读取IO的值，可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD；

 

GPIO寄存器说明：

STM32的每个 IO 口可以自由编程，但 IO 口寄存器必须要按 32 位字被访问。STM32 的每个 IO 端口都有 7 个寄存器来控制。他们分别是：配置模式的 2 个 32 位的端口配置寄存器 CRL 和 CRH；2 个 32 位的数据寄存器 IDR 和 ODR；1 个 32 位的置位/复位寄存器BSRR；一个 16 位的复位寄存器 BRR；1 个 32 位的锁存寄存器 LCKR。

CRL 和 CRH 控制着每个 IO 口的模式及输出速率。

 

 

参考资料：

《STM32不完全手册》-GPIO介绍

《STM32中文参考手册_V10》-第8章通用和复用功能IO(GPIO和AFIO )