嵌入式 - GPIO

定义#

GPIO (General-Purpose Input/Output) 通用输入输出，简称为IO口。其作用是通过软件来控制连接在此GPIO口上的外设。

GPIO支持4种输入模式：

浮空输入(GPIO_Mode_IN_FLOATING) 上拉输入(GPIO_Mode_IPU) 下拉输入(GPIO_Mode_IPD) 模拟输入(GPIO_Mode_AIN) GPIO支持4种输出模式：

开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD) 开漏复用输出(GPIO_Mode_AF_OD) 推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP) 推挽复用输出(GPIO_Mode_AF_PP) 同时，GPIO 还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。每个I/O口可以自由编程，但 I/O 口寄存器必须按32位字访问。

IO模式	作用/案例
上拉/下拉输入	检测外部信号（按键）
模拟输入	ADC模拟输入或低功耗下省电
开漏输出	一般应用在I2C和SMBUS等需要线与的总线电路中
推挽输出	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。除了必须用开漏的场景，一般都使用推挽。
复用推挽输出	片内外设（SPI, USB等）
复用开漏输出	片内外设（I2C的SDA和SCL）

总结#

开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。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)；

推挽输出：可以输出强高、低电平，连接数字器件。

GPIO 组成原理#

从上面原理图可以看出 STM32 的 GPIO 是由三个寄存器以及 TTL 肖特基触发器、二极管、P-MOS 管和 N-MOS 管组成。

引脚输入输出电平：0~3.3V，带 FT（Five Tolerate）即可容忍 5V 输入。

GPIO 工作原理#

推挽输出#

推挽输出结构是由两个 MOS 或者三极管收到互补控制的信号控制，在该图中由 N-MOS 和 P-MOS 控制。推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力。

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，输出低电平；若控制输出为 1（高电平），则 P-MOS 管导通，N-MOS 管关闭，输出高电平。外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时的 IO 口电平。

优点：驱动能力强，电平切换能力快（根据 GPIO 的波特率可用作模拟其他协议）。

缺点：多个推挽输出端口相连时，由于通路上阻抗较小电流会从 IO 的 VDD 流向另一个 IO 的 GND，会发生短路进而对端口造成伤害。

开漏输出#

开漏输出时只有 N-MOS 管工作，只能输出低电平。当其输出高电平时没有驱动能力（电压会被外部阻抗拉低），需要借助外部上拉电阻完成对外驱动（通断 N-MOS 实现对路径上的电压控制），驱动能力取决于上拉电阻阻值。

如果我们控制输出为 0（低电平），则 P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，输出低电平；若控制输出为 1（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。如果没有上拉或者下拉 IO 口就处于悬空状态。

复用输出#

GPIO 复用为其他外设（I2C, SPI …），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，其他功能和原理与开漏 / 推挽相同。根据具体需求选择复用开漏还是复用推挽（在 STM32CubeMX 中配置好相应的其他外设会自动生成对应 IO 复用为哪种输出）。

浮空输入#

浮空输入模式（可读取外部状态 0/1）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，I/O 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（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。 (用电压表测量其引脚电压为 1 点几伏) 可以用来做按键识别。