关于SOC芯片的GPIO学习分享

一、GPIO定义、分类：

    GPIO（英语：General-purpose input/output），通用型之输入输出的简称，其接脚可以供使用者由程控自由使用，PIN脚依现实考量可作为通用输入（GPI）或通用输出（GPO）或通用输入与输出（GPIO。

    分类如下：

二、GPIO内部结构：

    既然一个引脚可以用于输入、输出、其他特殊功能，那么一定有寄存器用来选择这些功能。对于输入：可以通过读取某个寄存器来确定引脚电位的高低；对于输出：可以通过写入某个寄存器来让这个引脚输出高电位或者低电位；对于其他特殊功能：另外的寄存器来控制它们。

    内部简易系统框图如下所示：

简易等效图一、

简易等效图二、

三、GPIO驱动模式诠释以及等效模型：

        下图提供了某个 GPIO 引脚八种驱动模式，同时给出了每一种驱动模式下的 GPIO 单元配置等效电路模型。

3.1、输入模式配置：

3.1.1、当器件I/O引脚配置为输入时，必须选择以下三个选项之一：     • 带内部上拉的输出。使用上拉电阻，以确保在浮动输入信号的情况下具有良好定义的逻辑电平。根据应用要求，也可以使用外部上拉电阻。 

    • 带内部下拉的输入。使用下拉电阻，确保在浮动输入信号的情况下具有良好定义的逻辑电平。根据应用要求，也可以使用外部下拉。 

    • 悬空输入。信号电平跟随外部信号。当没有外部信号时，施密特触发器在由外部噪声引起的逻辑电平之间随机切换。但同时这也增加了总体消耗。

3.1.2、编程为输入时，I/O端口具有以下特征：

    • 输出缓冲器被关闭 

    • 施密特触发器输入被打开 

    • 根据GPIOx_PUPDR寄存器中的值决定是否激活上拉或下拉电阻 

    • 输入数据寄存器每隔 1 个 AHB 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样 

    • 通过读取GPIOx_IDR输入数据寄存器可获取I/O状态

3.2、输出模式配置：

3.2.1、当器件I/O引脚配置为输出时，必须选择以下两个选项之一：

• 推挽输出模式： 

    推挽输出实际上使用两个晶体管：一个PMOS和一个NMOS。每个晶体管接通才能将输出驱动到适当的电平：

    – 当输出必须驱动为高电平状态时，顶部晶体管（PMOS）导通

    – 当输出必须驱动为低电平状态时，底部晶体管（NMOS）导通 

    两个晶体管的控制通过GPIO端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）完成。将输出寄存器（GPIOx_ODR）的相关位写0可激活NMOS晶体管，强制I/O引脚接地。 

    将输出寄存器（GPIOx_ODR）的相关位写1可激活PMOS晶体管，强制I/O引脚接通VDD。

• 开漏输出模式： 

    开漏输出模式不使用PMOS晶体管，而是需要一个上拉电阻。 

    当输出必须变为高电平时，必须关闭NMOS晶体管，仅通过上拉电阻将电平拉高。该上拉电阻可以是内部的，也可使用外部的。 

    注意：不可能在同一个I/O引脚上同时激活上拉和下拉。用户也可以使用外部上拉或下拉电阻代替内部电阻。在这种情况下，必须调整该值以符合GPIO输出电压和电流特性。 

3.2.2、编程为输出时，I/O端口具有以下特征：

    • 可将输出缓冲器配置为开漏或推挽模式 

    • 施密特触发器输入被打开 

    • 根据GPIOx_PUPDR寄存器中的值决定是否激活上拉或下拉电阻。

    • 写入输出数据寄存器GPIOx_ODR的值将I/O引脚状态置位 

    • GPIOx_ODR中的写入数据可从GPIOx_IDR中读取，该寄存器每个AHB时钟周期更新一次 

    开漏输出通常用于控制供电电压与主控电平不同的器件。需要特定上拉电阻时，开漏模式也用于驱动一个或多个I2C器件。

3.3、模拟配置：

    有一些 GPIO引脚可以配置为模拟模式，允许使用ADC、DAC、PAMP和COMP等内部外设。要在模拟模式下使用GPIO引脚，请考虑以下寄存器： 

    •GPIOx_MODER，选择模式（输入，输出，复用，模拟）

    •GPIOx_ASCR，选择所需的功能，ADC，DAC，OPAMP或COMP

对 I/O 端口进行编程作为模拟配置时：

    • 输出缓冲器被关闭 

    • 施密特触发器输入被禁用，因此I/O引脚的每个模拟值零消耗。施密特触发器的输出被强制为恒定值（0）。 

    • 上拉和下拉电阻被硬件关闭，对输入数据寄存器的读访问值为“0”。

本次关于SOC的GPIO学习分享，到此结束。感谢各位朋友的时间！同时预留以下几个思考题：

1、不同器件之间的GPIO链接为什么需要电平一致呢？

2、既然GPIO允许被配置为开漏输出。那么是否可以直接使用开漏功能实现不同电平之间转换呢？比如：3V-1.8V

审核编辑：刘清