STM32-GPIO详解

一、GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。

最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。

最基本的输入功能是检测外部电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

二、GPIO框图剖析

 

 

通过GPIO硬件结构框图，就可以从整体上深入了解GPIO外设及它的各种应用模式，该图从最右端看起，最右端就是代表STM32芯片引出的GPIO引脚，其它部件都位于芯片内部。

1、保护二极管及上、下拉电阻

引脚的两个保护二极管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于时，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，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。

上下拉电阻，从它的结构我们可以看出，通过上、下拉电阻的开关配置，我们可以控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平，开启下拉的时候引脚电压为低电平。也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式，配置成这个模式时，直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定的值。所以一般来说我们都会选择给引脚设置“上拉模式”或“下拉模式”使它有默认状态。STM32的内部上拉时“弱上拉”，即通过上拉输出的电流时很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉，通过“上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”控制引脚的上、下拉及浮空模式。

2、P-MOS管和N-MOS管

GPIO引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路，这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS导通，P-MOS关闭，对外输出低电平，当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P管负责灌电流，N管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式由很大的提高。推挽输出的低电平为0伏，高电平为3.3V，如下图，它是推挽输出模式时的等效电路。

而在开漏输出模式时，上方的P-MOS完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管完全关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1（它无法直接输出高电平）时，则P-MOS和N-MOS都关闭，所以引脚既不输出高电平也不输出低电平，为高阻态。为了正常使用时必须外部接上拉电阻，参考下图中的等效电路。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0伏。

推挽输出模式一般应用在输出电平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。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。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏电平，如下图所示。

3、输出数据寄存器

前面提到的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“输出数据寄存器“GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。

而”置位/复位寄存器GPIOx_BSRR“可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

4、复用功能输出

“复用功能输出”中的“复用”是指STM32的其他片上外设对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚用作该外设的一部分，算第二用途。从其他外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据寄存器都连接到双MOS管结构中，通过途中梯形结构作为开关切换选择。

例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

5、输入数据寄存器

看GPIO结构框图的上半部分，它时GPIO引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1的数字信号，然后存储再“输出数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

6、复用功能输入

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输出模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其他片上外设，由该外设读取引脚状态。

同样，如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通讯引脚接收远端数据。

7、模拟输入输出

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”，此时信号时不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似的，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构了，在啊GPIO结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。同时，当GPIO用于模拟功能时（包括输入输出），引脚的上、下拉电阻是不起作用的。这个时候即使在寄存器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。

三、GPIO工作模式总结

1、输入模式（上拉/下拉/浮空）

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止。数据寄存器每隔1个AHB1时钟周期更新一次，可通过数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中AHB1的时钟如按默认配置一般为180MHz。

2、输出模式·（推挽/开漏，上拉/下拉）

在输出模式中，输出使能，推完模式时以双MOS管的方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低点评。开漏模式时，只有N-MOS工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz25MHz50MHz100MHz的选项。此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。

此时施密特触发器时打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。

用于输出模式时，可使用上拉、下拉或悬空模式。但此时由于输出模式时引脚电平会收到ODR寄存器的影响，而ODR寄存器对应引脚的位为0，即引脚初始化后默认输出低电平，所以在这种情况下，上拉只能起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

3、复用功能（推挽/开漏，上拉/下拉）

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

用于复用功能时，可使用上拉、下拉或者浮空模式。同输出模式，在这种情况下，初始化后引脚默认输出低电平，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

4、模拟输入输出

模拟输入输出模式中，双MOS管结构被关闭，施密特触发器停用，上/下拉也被禁止，其他外设通过模拟通道进行输入输出。

通过GPIO寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO的用用模式。再GPIO外设中，通过设置“模式寄存器GPIOx_MODER”可配置GPIO的输出/输出/复用/模拟模式，“输出类型寄存器GPIOx_OTYPER”配置推挽/开漏模式，配置“输出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR”可选2/25/50/100MHz输出速度，“上/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”可配置上拉/下拉/浮空模式，各寄存器的具体参数见下表。

　　审核编辑：汤梓红