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GPIO的八种模式分析

2023-05-16

GPIO是general purpose input output,即通用输入输出端口，作用是负责外部器件的信息和控制外部器件工作。

GPIO有如下几个特点：1.不同型号的IO口数量不同；2，反转快速，每次翻转最快只需要两个时钟周期，以STM32F1系列为例，最快速度可达50MHz；3.每个IO口都可以做中断。

接下来介绍GPIO的电气特性：1.工作电压范围为：[2, 3.3]V ；2.识别电压范围(CMOS端口)：-0.3V <= VIL <= 1.164V , 1.833V <= VIH <= 3.6V；3.输出电流单个IO口最大25mA。

下图为GPIO的结构图：

 GPIO的上半部分为输入部分，下半部分为输出部分。

接下来简要介绍其工作流程

1.输入：信号从IO脚输入，经过保护电路后进入GPIO内部，然后进入上下拉电路（只是在输入状态时候设置，因此在芯片处在输出状态时不需要设置上下拉，比如我们的LED实验），然后兵分两路，上面的是模拟输入(ADC/DAC)，下面再分为两路，上面是复用输入至片上外设，下面进入输入寄存器（IDR），CPU就能读取其中的信号获得信息。

2.输出：

i) 执行机构：如果需要输出高电平，就使PMOS管导通，从VDD接进高电平输出3.3V，如果需要输出低电平就使NMOS管导通将VSS（0V）导通至外部。

ii)控制机构：上面的是连接输出寄存器（ODR），可以通过位清除寄存器（BSRR）对ODR进行读写，也可以直接进行读写操作，然后进入二选一选择器，再进入输出控制器。

接下来介绍几个重要的元件：

1.保护二极管：当输入过高的电压（比如5V，PS:必须串联一个电阻，不然会烧）的时候，下面的保护二极管截止，上面的保护二极管导通，因为保护二极管的压降为0.3V，VDD为3.3V，所以实际输入的电压为3.6V，防止了过高的电压输入；如果输入一个过低的电压（比如-5V，同理要接电阻），上面的保护二极管截止，下面的保护二极管导通，因为VSS为0V，所以实际输入的电压为0.3V。

2.内部上下拉电阻：内部上下拉电阻值为30~50kOhm，当未接入的时候处于高阻态，电平由外部状态控制，是非稳定的状态。当该器件初始状态是高电平的时候，需要一个稳定的高电位来维护这个状态，于是我们选用上拉电阻（如KEY0）；当该器件的初始状态是低电平的时候，需要一个稳定的低电位来维护这个状态，于是我们选用下拉电阻（如WAKE_UP_KEY）。

3.施密特触发器：为一种整形电路，可以将非标准波整形成方波。如图，施密特触发器有一个正向阈值电压和一个负向阈值电压。当电压高于正向阈值电压，输出为高电平；当电压低于负向阈值电压的时候，输出为低电平；当电压处于正向和负向阈值电压之间的时候，输出不改变。

 

4.P/N-MOS管：MOS管是压控型元件，通过控制栅源电压实现导通或关闭。

 G:栅极；S:源极；D:漏极

对PMOS管来说，当Vgs<0时导通，因为VDD为3.3V，所以G极必须低于3.3V，即G输出低电平时，PMOS管才导通。

对NMOS管来说，当Vgs>0时导通，因为VDD为0V，所以G极必须高于3.3V，即G输出高电平时，NMOS管才导通。

接下来详细介绍八种模式分析

GPIO_MODE_INPUT：前三种都属于

1.输入浮空（GPIO_NOPULL）：输入用，完全浮空，状态不定。

上下拉电阻关闭，施密特触发器打开，模拟输入关闭，双MOS管不导通。空闲时（高阻态），IO状态不稳定，由外部环境决定。

2.输入上拉（GPIO_PULLUP）：输入用，用内部上拉，默认为高电平。

使用上拉电阻，下拉电阻关闭，施密特触发器打开，模拟输入关闭，MOS管不导通。空闲时，IO呈现高电平。

3.输入下拉（GPIO_PULLDOWN）：输入用，用内部下拉，默认为低电平。

使用下拉电阻，上拉电阻关闭，施密特触发器打开，模拟输入关闭，MOS管不导通。空闲时，IO呈现低电平。

PS：GPIO_NOPULL，GPIO_PULLUP，GPIO_PULLDOWN都是在GPIO_PULL中进行设置的。

4.模拟（复用）输入（GPIO_MODE_AF_INPUT）：ADC/DAC

上下拉电阻关闭，施密特触发器关闭，模拟输入打开，双MOS管不导通。专门用于模拟信号输入。

5.开漏输出（GPIO_MODE_OUTPUT_OD）：软件IIC的SDL，SCL等。

上下拉电阻关闭，施密特触发器打开，PMOS管关闭，在ODR对应位写0时，NMOS管导通，输出低电平，写1时不导通，不导通时为高阻态。不能输出高电平，必须有外部上拉电阻才能输出高电平。

6.推挽输出（GPIO_MODE_OUTPUT_PP）：驱动能力强，25mA(MAX)，通用输出。

上下拉电阻关闭，施密特触发器打开，ODR对应位写0时，NMOS管导通，输出低电平，写1则PMOS管导通，输出高电平。可输出高低电平，驱动能力强。

7.开漏复用输出（GPIO_MODE_AF_OD）：片上外设（软件IIC的SDL，SCL等）

上下拉电阻关闭，施密特触发器打开，PMOS管关闭，在外设复用输出写0时，NMOS管导通，写1时不导通，不导通时为高阻态。不能输出高电平，必须有外部上拉电阻才能输出高电平。

8.推挽复用输出（GPIO_MODE_AF_PP）：片上外设（SPI的SCK,MISO,MOSI等）

上下拉电阻关闭，施密特触发器打开，外设复用功能写0时，NMOS管导通，输出低电平，写1则PMOS管导通，输出高电平。可输出高低电平，驱动能力强。

至此，对GPIO的简单介绍就完成了。

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