GPIO簡介

GPIO 是通用輸入輸出端口的簡稱，簡單來說就是 STM32 可控制的引腳， STM32 芯片的 GPIO 引腳與外部設備連接起來，從而實現與外部通訊、控制以及數據采集的功能。STM32 芯片的 GPIO 被分成很多組，每組有 16 個引腳，如型號為 STM32F103VET6 型號的。芯片有 GPIOA、 GPIOB、 GPIOC 至 GPIOE 共 5 組 GPIO，芯片一共 100 個引腳，其中GPIO 就占了一大部分，所有的 GPIO 引腳都有基本的輸入輸出功能。

最基本的輸出功能是由 STM32 控制引腳輸出高、低電平，實現開關控制，如把 GPIO引腳接入到 LED 燈，那就可以控制 LED 燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極管，那就可以通過或三極管控制外部大功率電路的通斷。

最基本的輸入功能是檢測外部輸入電平，如把 GPIO 引腳連接到按鍵，通過電平高低區分按鍵是否被按下。

GPIO的框圖講解

下面我們按圖中的編號對 GPIO 端口的結構部件進行說明。

1. 保護二極管及上、下拉電阻

引腳的兩個保護二級管可以防止引腳外部過高或過低的電壓輸入，當引腳電壓高於VDD 時， 上方的二極管導通，當引腳電壓低於 VSS 時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀。盡管有這樣的保護，並不意味著 STM32 的引腳能直接外接大功率驅動器件，如直接驅動電機，強制驅動要麽電機不轉，要麽導致芯片燒壞，必須要加大功率及隔離電路驅動。

2. P-MOS

GPIO 引腳線路經過兩個保護二極管後，向上流向“輸入模式”結構，向下流向“輸出模式”結構。先看輸出模式部分，線路經過一個由 P-MOS 和 N-MOS 管組成的單元電路。這個結構使 GPIO 具有了“推挽輸出”和“開漏輸出”兩種模式。

所謂的推挽輸出模式，是根據這兩個 MOS 管的工作方式來命名的。在該結構中輸入高電平時，經過反向後，上方的 P-MOS 導通，下方的 N-MOS 關閉，對外輸出高電平；而在該結構中輸入低電平時，經過反向後， N-MOS 管導通， P-MOS 關閉，對外輸出低電平。當引腳高低電平切換時，兩個管子輪流導通， P 管負責灌電流， N 管負責拉電流，使其負載能力和開關速度都比普通的方式有很大的提高。推挽輸出的低電平為 0 伏，高電平為 3.3伏，具體參考圖 8-2，它是推挽輸出模式時的等效電路。

而在開漏輸出模式時，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我們控制輸出為 0，低電平，則 P-MOS 管關閉，N-MOS 管導通，使輸出接地，若控制輸出為 1 (它無法直接輸出高電平)時，則 P-MOS 管和 N-MOS 管都關閉，所以引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態。為正常使用時必須外部接上拉電阻，參考圖 8-3 中等效電路。它具有“線與”特性，也就是說，若有很多個開漏模式引腳連接到一起時，只有當所有引腳都輸出高阻態，才由上拉電阻提供高電平，此高電平的電壓為外部上拉電阻所接的電源的電壓。若其中一個引腳為低電平， 那線路就相當於短路接地，使得整條線路都為低電平，0 伏。

推挽輸出模式一般應用在輸出電平為 0 和 3.3 伏而且需要高速切換開關狀態的場合。在 STM32 的應用中，除了必須用開漏模式的場合，我們都習慣使用推挽輸出模式。

開漏輸出一般應用在 I2C、 SMBUS 通訊等需要“線與”功能的總線電路中。除此之外，還用在電平不匹配的場合，如需要輸出 5 伏的高電平，就可以在外部接一個上拉電阻， 上拉電源為 5 伏， 並且把 GPIO 設置為開漏模式，當輸出高阻態時，由上拉電阻和電源向外輸出 5 伏的電平，具體見圖 8-4。

3. 輸出數據寄存器
前面提到的 雙 MOS 管結構電路的輸入信號，是由GPIO“輸出數據寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我們通過修改輸出數據寄存器的值就可以修改 GPIO 引腳的輸出電平。而“置位/復位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通過修改輸出數據寄存器的值從而影響電路的輸出。

4. 復用功能輸出

“復用功能輸出”中的“復用”是指 STM32 的其它片上外設對 GPIO 引腳進行控制，此時 GPIO 引腳用作該外設功能的一部分，算是第二用途。從其它外設引出來的“復用功能輸出信號”與 GPIO 本身的數據據寄存器都連接到雙 MOS 管結構的輸入中，通過圖中的梯形結構作為開關切換選擇。例如我們使用 USART 串口通訊時，需要用到某個 GPIO 引腳作為通訊發送引腳，這個時候就可以把該 GPIO 引腳配置成 USART 串口復用功能，由串口外設控制該引腳，發送數據。

 // GPIOB 16 個 IO 全部輸出 0XFF
 GPIOB->ODR = 0XFF;

5. 輸入數據寄存器

看 GPIO 結構框圖的上半部分， GPIO 引腳經過內部的上、下拉電阻， 可以配置成上下拉輸入，然後再連接到施密特觸發器，信號經過觸發器後，模擬信號轉化為 0、 1 的數字

信號，然後存儲在“輸入數據寄存器 GPIOx_IDR”中，通過讀取該寄存器就可以了解GPIO 引腳的電平狀態。

// 讀取 GPIOB 端口的 16 位數據值
uint16_t temp;
    temp = GPIOB->IDR;

6. 復用功能輸入

與“復用功能輸出”模式類似，在“復用功能輸入模式”時， GPIO 引腳的信號傳輸到STM32 其它片上外設，由該外設讀取引腳狀態。同樣，如我們使用 USART 串口通訊時，需要用到某個 GPIO 引腳作為通訊接收引腳，這個時候就可以把該 GPIO 引腳配置成 USART 串口復用功能，使 USART 可以通過該通訊引腳的接收遠端數據。
7. 模擬輸入輸出

當 GPIO 引腳用於 ADC 采集電壓的輸入通道時，用作“模擬輸入”功能，此時信號是不經過施密特觸發器的，因為經過施密特觸發器後信號只有 0、 1 兩種狀態，所以 ADC 外設要采集到原始的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發器之前。類似地，當 GPIO 引腳用於 DAC 作為模擬電壓輸出通道時，此時作為“模擬輸出”功能， DAC 的模擬信號輸出就不經過雙 MOS 管結構，模擬信號直接輸出到引腳。

GPIO 工作模式

總結一下，由 GPIO 的結構決定了 GPIO 可以配置成以下模式：

typedef enum
{
GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模擬輸入
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空輸入
GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉輸入
GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉輸入
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 開漏輸出
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 推挽輸出
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 復用開漏輸出
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 復用推挽輸出
} GPIOMode_TypeDef;

在固件庫中， GPIO 總共有 8 種細分的工作模式，稍加整理可以大致歸類為以下三類：

1. 輸入模式(模擬/浮空/上拉/下拉)

在輸入模式時， 施密特觸發器打開， 輸出被禁止，可通過輸入數據寄存器 GPIOx_IDR讀取 I/O 狀態。 其中輸入模式，可設置為上拉、下拉、 浮空和模擬輸入四種。 上拉和下拉輸入很好理解， 默認的電平由上拉或者下拉決定。浮空輸入的電平是不確定的，完全由外部的輸入決定，一般接按鍵的時候用的是這個模式。模擬輸入則用於 ADC 采集。

2. 輸出模式(推挽/開漏)

在輸出模式中， 推挽模式時雙 MOS 管以輪流方式工作，輸出數據寄存器 GPIOx_ODR可控制 I/O 輸出高低電平。開漏模式時，只有 N-MOS 管工作，輸出數據寄存器可控制 I/O輸出高阻態或低電平。 輸出速度可配置，有 2MHz\10MHz\50MHz 的選項。此處的輸出速度即 I/O 支持的高低電平狀態最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，如果功耗求不嚴格，把速度設置成最大即可。在輸出模式時施密特觸發器是打開的，即輸入可用，通過輸入數據寄存器 GPIOx_IDR可讀取 I/O 的實際狀態。

3. 復用功能(推挽/開漏)
復用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏及推挽模式，但是輸出信號源於其它外設，輸出數據寄存器 GPIOx_ODR 無效；輸入可用，通過輸入數據寄存器可獲取 I/O 實際狀態，但一般直接用外設的寄存器來獲取該數據信號。通過對 GPIO 寄存器寫入不同的參數，就可以改變 GPIO 的工作模式，再強調一下，要了解具體寄存器時一定要查閱《STM32F10X-中文參考手冊》中對應外設的寄存器說明。

在 GPIO 外設中， 控制端口高低控制寄存器 CRH 和 CRL 可以配置每個 GPIO 的工作模式和工作的速度， 每 4 個位控制一個 IO， CRH 控制端口的高八位， CRL 控制端口的低 8 位，具體的看 CRH 和 CRL 的寄存器描述。

使用寄存器點亮LED（第1節）—GPIO功能框圖講解