全面掌握stm32的GPIO知识

1 初学者重要提示

  本文主要是以stm32H7系列为主。

  对于不使用的引脚，推荐设置为模拟模式，悬空即可。

  GPIO的速度等级高的时候，最好使能IO补偿单元。

2 GPIO功能简介

STM32H7的GPIO特性如下：

  输出状态：开漏/推挽 + 上拉/下拉电阻。

  通过输出数据寄存器（GPIOx_ODR）或者外设（GPIO设置为复用模式时）输出数据。

  GPIO速度等级设置。

  输入状态：浮空，上拉/下拉，模拟。

  通过输入数据寄存器（GPIOx_IDR）或者外设（GPIO设置为复用模式）输入数据。

  通过寄存器GPIOx_BSRR实现对寄存器GPIOx_ODR的位操作。

  通过配置寄存器GPIOx_LCKR的锁机制，实现冻结IO口配置。

  每两个时钟周期就可以翻转一次IO。

  高度灵活的引脚复用功能，允许IO引脚既可以做GPIO也可以做功能复用。

3 GPIO功能模式分析（重要）

STM32H7的GPIO端口可以配置为如下的8种模式：

  输入浮空

  输入上拉

  输入下拉

  模拟功能

  具有上拉或下拉功能的开漏输出

  具有上拉或下拉功能的推挽输出

  具有上拉或下拉功能的复用功能推挽

  具有上拉或下拉功能的复用功能开漏

由于上拉和下拉是可选配置，对应的HAL库配置使用下面6种就可以表示：

  GPIO_MODE_INPUT 输入模式

  GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽输出

  GPIO_MODE_OUTPUT_OD 开漏输出

  GPIO_MODE_AF_PP   复用推挽

  GPIO_MODE_AF_OD  复用开漏

  GPIO_MODE_ANALOG 模拟模式

3.1 推挽输出

推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级提高电路的负载能力。相对于开漏输出模式，推挽输出最大优势是输出高电平时，上升时间快，电压驱动能力强。 

3.2 开漏输出

开漏端相当于 MOS 管的漏极（三极管的集电极），要得到高电平状态必须外接上拉电阻才行，因此输出高电平的驱动能力完全由外接上拉电阻决定，但是其输出低电平的驱动能力很强。开漏形式的电路有以下几个特点：

输出高电平时利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。

开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平。如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。

开漏输出提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系，即“线与”。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑 0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为 0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。

3.3 复用推挽和开漏

复用指的是GPIO切换到CPU内部设备（比如SPI,I2C,UART等电路），也就是GPIO不是作为普通IO使用，是由内部设备直接驱动。推挽和开漏的特征同上。

3.4 四种输入模式

通过上面的引脚结构图可以得到如下三种方式

  浮空输入：CPU内部的上拉电阻、下拉电阻均断开的输入模式。

  下拉输入：CPU内部的下拉电阻使能、上拉电阻断开的输入模式。

  上拉输入：CPU内部的上拉电阻使能、下拉电阻断开的输入模式。

而模拟输入模式是GPIO引脚连接内部ADC。

 

4 GPIO的拉电流负载和灌电流负载能力

这里先普及点小知识，什么是拉电流负载，什么是灌电流负载。

  拉电流负载：一种负载电流从驱动门流向外电路，称为拉电流负载。比如使用STM32H7的GPIO直接驱动LED就是拉电流形式。

  灌电流负载：负载电流从外电路流入驱动门，称为灌电流负载。比如下面这种形式的LED驱动电路

有了上面这些知识后再来看STM32H7的IO驱动能力（截图来自STM32H7参考手册）：

 

通过上面的截图可知：STM32H7总的拉电流和灌电流不可超过140mA，单个引脚最大不可超过20mA，这个知识点，大家要知道。

5 IO补偿单元，用于高速

IO补偿单元用于控制I/O通信压摆率（tfall / trise）以此来降低I/O噪声。当前STM32H7的速度等级可以配置为以下四种：

 

/** @defgroup GPIO_speed_define  GPIO speed define
  * @brief GPIO Output Maximum frequency
  * @{
  */  
#define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW         ((uint32_t)0x00000000U)  /*!< Low speed     */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      ((uint32_t)0x00000001U)  /*!< Medium speed  */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH        ((uint32_t)0x00000002U)  /*!< Fast speed    */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH   ((uint32_t)0x00000003U)  /*!< High speed    */

 

使用后两种速度等级的话，最好使能IO补偿单元。

6 GPIO兼容CMOS和TTL电平

CMOS和TTL电平兼容问题也是一个比较重要的知识点

7 不使用的引脚推荐设置为模拟模式

主要从功耗和防干扰考虑。

  所有用作带上拉电阻输入的 I/O都会在引脚外部保持为低时产生电流消耗。此电流消耗的值可通过使用的静态特性中给出的上拉 / 下拉电阻值简单算出。

  对于输出引脚，还必须考虑任何外部下拉电阻或外部负载以估计电流消耗。

  若外部施加了中间电平，则额外的 I/O 电流消耗是因为配置为输入的 I/O。此电流消耗是由用于区分输入值的输入施密特触发器电路导致。除非应用需要此特定配置，否则可通过将这些I/O 配置为模拟模式以避免此供电电流消耗。ADC 输入引脚应配置为模拟输入就是这种情况。

  任何浮空的输入引脚都可能由于外部电磁噪声，成为中间电平或意外切换。为防止浮空引脚相关的电流消耗，它们必须配置为模拟模式，或内部强制为确定的数字值。这可通过使用上拉 / 下拉电阻或将引脚配置为输出模式做到。

综上考虑，不使用的引脚设置为模拟模式，悬空即可。

审核编辑 ：李倩