STM32 （三）GPIO的八种模式及其原理

一、GPIO简介

GPIO就是通用I/O(输入/输出)端口，是STM32可控制的引脚。
STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

二、GPIO工作模式.

1. 四种输入模式

    GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入模式
    GPIO_Mode_IPU 上拉输入模式
    GPIO_Mode_IPD 下拉输入模式
    GPIO_Mode_AIN 模拟输入模式

2. 四种输出模式

    GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出模式
    GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出模式
    GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出模式
    GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出模式

三、GPIO工作原理解析

1. I/O端口的基本结构框图

 

保护二极管

作用： 防止引脚外部输入过高和过低的电压，防止不正常电压引入芯片，导致芯片烧毁。
当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通。
当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通。
上拉电阻和下拉电阻

作用： 控制引脚默认状态的电压。
开启上拉的时候，引脚默认电压为高电平。
开启下拉的时候，引脚默认电压为低电平。
TTL肖特基触发器

TTL肖特基触发器其实可以理解为用肖特基管构成的施密特触发器。
作用： 将相对缓慢变化的模拟信号变成矩形信号。
当输入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。
P-MOS管和N-MOS管

作用： 使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。
P-MOS管： MCU输出为 1 导通，低电平关闭。
N-MOS管： MCU输出为 0 导通，高电平关闭。
 

3. GPIO工作模式解析

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到输入数据寄存器。
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。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别

上拉输入模式

上拉输入模式下， I/O端口的电平信号经过上拉电阻进入到输入数据寄存器。

 

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

STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

下拉输入模式

下拉输入模式下， I/O端口的电平信号经过下拉电阻进入到输入数据寄存器。

 

  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

模拟输入模式下， I/O端口的电平信号不经过TTL肖特基触发器，直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空 ，MCU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态。
在模拟输入模式下，上拉电阻和下拉电阻是不起作用的，即使配置上拉和下拉模式，也不会有作用。

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）

开漏输出模式下， P-MOS管不工作，只有N-MOS管工作，MCU只能控制输出低电平。
MCU输出低电平的时候，N-MOS管导通，I/O引脚输出低电平。
MCU输出高电平的时候，N-MOS管关闭，I/O引脚悬空状态。

 

推挽输出模式

推挽输出模式下， P-MOS管和N-MOS管都工作，MCU可以控制输出高电平和低电平。
MCU输出为 0 的时候，N-MOS管导通，I/O引脚输出低电平。
MCU输出为 1 的时候，P-MOS管导通，I/O引脚输出高电平。

 

复用开漏输出模式

复用开漏输出模式下， 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。

 

复用推挽输出模式

复用推挽输出模式下， 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。

 

三、在STM32中选用IO模式:

     上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
    模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
    开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要"线与"功能的总线电路中。
     推挽输出模式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。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
    复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
    复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
 

F4系列与F1系列区别:

本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核  而F1系列采用Cortex-M3内核

F1系列(M3)IO口基本结构：

 

F4系列(M4)IO口基本结构：

 

F4系列设计的更加高级与人性化，他将外部上下拉电阻转移到了输出/输入驱动器外部，使得输出模式下也可以实现内部上拉与下拉，方便了用户的使用，增加了灵活性
 

四、GPIO的配置方法（cubemx）

1,打开cubrmx ,点击ACCESS TO MCU SELECTCR.

 

2,会进入这个界面，在 part number 处输入单片机的型号，并选取相应的型号

 

3，先点击syssterm core ,再点击sys，参照图上配置

 

4，在右侧的芯片上，寻找所要设置的GPIO，在单击该GPIO后会显示能配置的模式 

 5，在选定模式后点击GPIO进行详细的配置

 

 在这可进行输入\输出的初始电平，输入的开漏，推挽等的设置。

6，进入clock configuration进行时钟树的配置（上一章讲过了）