STM32的GPIO详解(HAL库)

基础部分

GPIO全名为General Purpose Input Output，即通用输入输出。有时候简称为“IO口”。通用，说明它是常见的。输入输出，就是说既能当输入口使用，又能当输出口使用。端口，就是元器件上的一个引脚。输入模式和输出模式是GPIO的基本特性，当然GPIO还有其它模式可选。例如：选择它的IIC模式，等等。

GPIO的工作模式
1. GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
2. GPIO_Mode_IPU 上拉输入
3. GPIO_Mode_IPD 下拉输入
4. GPIO_Mode_AIN 模拟输入
5. GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
6. GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
7. GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
8. GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉

如上所示，GPIO具有8钟模式，不同的模式在不同场景下使用。同时对于这些模式，有多种速度可选（低速，中速，快速，高速）。同时这些定义在GPIO的结构体里面有具体体现。

上图是GPIO的框图，下文将从这里入手，逐步分析GPIO的8种模式

简单介绍

保护二极管（VDD_FF,VSS）：当不正常的电压进入时，这两个的二极管导通，避免芯片烧毁。
上拉、下拉电阻：控制默认的引脚电压。
P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式
TTL施密特触发器：电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；同时具备将模拟信号转换为数字信号的功能，同时也是TTL协议。
1. 扩展部分
  
  这是施密特触发器的原理图
  
  这是对应的电压转换图
  由此可以知道，使用施密特触发器的根本原因是，它可以有效地避免杂波干扰，因为这个电路如果想让输出电压改变，需要付出的代价更大，例如有高电平变为低电平，则需要电压比VTL更小，否则无法改变。

GPIO的八种工作模式剖析

浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。MCU直接读取I/O口电平。浮空最大的特点就是电压的不确定性，它可能是0V，页可能是VCC，还可能是介于两者之间的某个值（最有可能）浮空一般用来做ADC输入用，这样可以减少上下拉电阻对结果的影响。
上拉输入模式

IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平。
1. 扩展部分
  在不学习院里的情况下，我们第一次接触上拉电阻是在学习IIC通信协议的时候，由于IIC通信协议的问题，我们通常采用上拉电阻加上软件IIC的模式来实现IIC通信协议，那个外部接入的上拉电阻一般是4.7KΩ，但是在这里接触到的上拉电阻是30~50kΩ，同时STM32的内部上拉是“弱上拉”，上拉电流很弱，外加上拉电阻就是为了分担电流。因为MCU的输入电流最大为150mA，所以用外部上拉电阻进行分担。
下拉输入模式

IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平
模拟输入模式

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，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态。当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律要配置为复用功能模式，
开漏输出模式（带上拉或者下拉）

在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态并且此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。，I/O口的电平不一定是输出的电平
推挽输出模式（带上拉或者下拉）

在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平，外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平此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。I/O口的电平一定是输出的电平
复用开漏输出（带上拉或者下拉）

GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态除了输出信号的来源改变其他与开漏输出功能相同
复用推挽输出（带上拉或者下拉）

GPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态除了输出信号的来源改变其他与开漏输出功能相同

开漏输出和推挽输出的区别

推挽输出
可以输出强高低电平，连接数字器件。推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.
开漏输出
可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平，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)；在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平