STM32-GPIO詳解

一、GPIO簡介

GPIO是通用輸入輸出端口的簡稱，簡單來說就是STM32可控制的引腳，STM32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來，從而實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多組，每組有16個(gè)引腳，所有的GPIO引腳都有基本的輸入輸出功能。

最基本的輸出功能是由STM32控制引腳輸出高、低電平，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，如把GPIO引腳接入LED燈，那就可以控制LED燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極管，那就可以通過繼電器或三極管控制外部大功率電路的通斷。

最基本的輸入功能是檢測外部電平，如把GPIO引腳連接到按鍵，通過電平高低區(qū)分按鍵是否被按下。

二、GPIO框圖剖析

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通過GPIO硬件結(jié)構(gòu)框圖，就可以從整體上深入了解GPIO外設(shè)及它的各種應(yīng)用模式，該圖從最右端看起，最右端就是代表STM32芯片引出的GPIO引腳，其它部件都位于芯片內(nèi)部。

1、保護(hù)二極管及上、下拉電阻

引腳的兩個(gè)保護(hù)二極管可以防止引腳外部過高或過低的電壓輸入，當(dāng)引腳電壓高于時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通，當(dāng)引腳電壓低于Vss時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀。

上下拉電阻，從它的結(jié)構(gòu)我們可以看出，通過上、下拉電阻的開關(guān)配置，我們可以控制引腳默認(rèn)狀態(tài)的電壓，開啟上拉的時(shí)候引腳電壓為高電平，開啟下拉的時(shí)候引腳電壓為低電平。也可以設(shè)置“既不上拉也不下拉模式”，我們也把這種狀態(tài)稱為浮空模式，配置成這個(gè)模式時(shí)，直接用電壓表測量其引腳電壓為1點(diǎn)幾伏，這是個(gè)不確定的值。所以一般來說我們都會選擇給引腳設(shè)置“上拉模式”或“下拉模式”使它有默認(rèn)狀態(tài)。STM32的內(nèi)部上拉時(shí)“弱上拉”，即通過上拉輸出的電流時(shí)很弱的，如要求大電流還是需要外部上拉，通過“上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”控制引腳的上、下拉及浮空模式。

2、P-MOS管和N-MOS管

GPIO引腳線路經(jīng)過兩個(gè)保護(hù)二極管后，向上流向“輸入模式”結(jié)構(gòu)，向下流向“輸出模式”結(jié)構(gòu)。先看輸出模式部分，線路經(jīng)過一個(gè)由P-MOS和N-MOS管組成的單元電路，這個(gè)結(jié)構(gòu)使GPIO具有了“推挽輸出”和“開漏輸出”兩種模式。

所謂的推挽輸出模式，是根據(jù)這兩個(gè)MOS管的工作方式來命名的。在該結(jié)構(gòu)中輸入高電平時(shí)，經(jīng)過反向后，上方的P-MOS導(dǎo)通，下方的N-MOS關(guān)閉，對外輸出高電平；而在該結(jié)構(gòu)中輸入低電平時(shí)，經(jīng)過反向后，N-MOS導(dǎo)通，P-MOS關(guān)閉，對外輸出低電平，當(dāng)引腳高低電平切換時(shí)，兩個(gè)管子輪流導(dǎo)通，P管負(fù)責(zé)灌電流，N管負(fù)責(zé)拉電流，使其負(fù)載能力和開關(guān)速度都比普通的方式由很大的提高。推挽輸出的低電平為0伏，高電平為3.3V，如下圖，它是推挽輸出模式時(shí)的等效電路。

而在開漏輸出模式時(shí)，上方的P-MOS完全不工作。如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管完全關(guān)閉，N-MOS管導(dǎo)通，使輸出接地，若控制輸出為1（它無法直接輸出高電平）時(shí)，則P-MOS和N-MOS都關(guān)閉，所以引腳既不輸出高電平也不輸出低電平，為高阻態(tài)。為了正常使用時(shí)必須外部接上拉電阻，參考下圖中的等效電路。它具有“線與”特性，也就是說，若有很多個(gè)開漏模式引腳連接到一起時(shí)，只有當(dāng)所有引腳都輸出高阻態(tài)，才由上拉電阻提供高電平，此電平的電壓為外部上拉電阻所接的電源的電壓。若其中一個(gè)引腳為低電平，那線路就相當(dāng)于短路接地，使得整條線路都為低電平，0伏。

推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平0和3.3伏而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場合。在STM32的應(yīng)用中，除了必須用開漏模式的場合，我們都習(xí)慣使用推挽輸出模式。開漏輸出一般應(yīng)用在I2C、SMBUS通訊等需要“線與”功能的總線電路中。除此之外，還用在電平不匹配的場合，如需要輸出5伏的高電平，就可以在外部接一個(gè)上拉電阻，上拉電源為5伏，并且把GPIO設(shè)置為開漏模式，當(dāng)輸出高阻態(tài)時(shí)，由上拉電阻和電源向外輸出5伏電平，如下圖所示。

3、輸出數(shù)據(jù)寄存器

前面提到的雙MOS管結(jié)構(gòu)電路的輸入信號，是由GPIO“輸出數(shù)據(jù)寄存器“GPIOx_ODR”提供的，因此我們通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值就可以修改GPIO引腳的輸出電平。

而”置位/復(fù)位寄存器GPIOx_BSRR“可以通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值從而影響電路的輸出。

4、復(fù)用功能輸出

“復(fù)用功能輸出”中的“復(fù)用”是指STM32的其他片上外設(shè)對GPIO引腳進(jìn)行控制，此時(shí)GPIO引腳用作該外設(shè)的一部分，算第二用途。從其他外設(shè)引出來的“復(fù)用功能輸出信號”與GPIO本身的數(shù)據(jù)寄存器都連接到雙MOS管結(jié)構(gòu)中，通過途中梯形結(jié)構(gòu)作為開關(guān)切換選擇。

例如我們使用USART串口通訊時(shí)，需要用到某個(gè)GPIO引腳作為通訊發(fā)送引腳，這個(gè)時(shí)候就可以把該GPIO引腳配置成USART串口復(fù)用功能，由串口外設(shè)控制該引腳，發(fā)送數(shù)據(jù)。

5、輸入數(shù)據(jù)寄存器

看GPIO結(jié)構(gòu)框圖的上半部分，它時(shí)GPIO引腳經(jīng)過上、下拉電阻后引入的，它連接到施密特觸發(fā)器，信號經(jīng)過觸發(fā)器后，模擬信號轉(zhuǎn)化為0、1的數(shù)字信號，然后存儲再“輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR”中，通過讀取該寄存器就可以了解GPIO引腳的電平狀態(tài)。

6、復(fù)用功能輸入

與“復(fù)用功能輸出”模式類似，在“復(fù)用功能輸出模式”時(shí)，GPIO引腳的信號傳輸?shù)絊TM32其他片上外設(shè)，由該外設(shè)讀取引腳狀態(tài)。

同樣，如我們使用USART串口通訊時(shí)，需要用到某個(gè)GPIO引腳作為通訊接收引腳，這個(gè)時(shí)候就可以把該GPIO引腳配置成USART串口復(fù)用功能，使USART可以通過該通訊引腳接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)。

7、模擬輸入輸出

當(dāng)GPIO引腳用于ADC采集電壓的輸入通道時(shí)，用作“模擬輸入功能”，此時(shí)信號時(shí)不經(jīng)過施密特觸發(fā)器的，因?yàn)榻?jīng)過施密特觸發(fā)器后信號只有0、1兩種狀態(tài)，所以ADC外設(shè)要采集到原始的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發(fā)器之前。類似的，當(dāng)GPIO引腳用于DAC作為模擬電壓輸出通道時(shí)，此時(shí)作為“模擬輸出”功能，DAC的模擬信號輸出就不經(jīng)過雙MOS管結(jié)構(gòu)了，在啊GPIO結(jié)構(gòu)框圖的右下角處，模擬信號直接輸出到引腳。同時(shí)，當(dāng)GPIO用于模擬功能時(shí)（包括輸入輸出），引腳的上、下拉電阻是不起作用的。這個(gè)時(shí)候即使在寄存器配置了上拉或下拉模式，也不會影響到模擬信號的輸入輸出。

三、GPIO工作模式總結(jié)

1、輸入模式（上拉/下拉/浮空）

在輸入模式時(shí)，施密特觸發(fā)器打開，輸出被禁止。數(shù)據(jù)寄存器每隔1個(gè)AHB1時(shí)鐘周期更新一次，可通過數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR讀取I/O狀態(tài)。其中AHB1的時(shí)鐘如按默認(rèn)配置一般為180MHz。

2、輸出模式·（推挽/開漏，上拉/下拉）

在輸出模式中，輸出使能，推完模式時(shí)以雙MOS管的方式工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR可控制I/O輸出高低點(diǎn)評。開漏模式時(shí)，只有N-MOS工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器可控制I/O輸出高阻態(tài)或低電平。輸出速度可配置，有2MHz25MHz50MHz100MHz的選項(xiàng)。此處的輸出速度即I/O支持的高低電平狀態(tài)最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，如果功耗要求不嚴(yán)格，把速度設(shè)置成最大即可。

此時(shí)施密特觸發(fā)器時(shí)打開的，即輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實(shí)際狀態(tài)。

用于輸出模式時(shí)，可使用上拉、下拉或懸空模式。但此時(shí)由于輸出模式時(shí)引腳電平會收到ODR寄存器的影響，而ODR寄存器對應(yīng)引腳的位為0，即引腳初始化后默認(rèn)輸出低電平，所以在這種情況下，上拉只能起到小幅提高輸出電流能力，但不會影響引腳的默認(rèn)狀態(tài)。

3、復(fù)用功能（推挽/開漏，上拉/下拉）

復(fù)用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏及推挽模式，但是輸出信號源于其它外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無效；輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實(shí)際狀態(tài)，但一般直接用外設(shè)的寄存器來獲取該數(shù)據(jù)信號。

用于復(fù)用功能時(shí)，可使用上拉、下拉或者浮空模式。同輸出模式，在這種情況下，初始化后引腳默認(rèn)輸出低電平，上拉只起到小幅提高輸出電流能力，但不會影響引腳的默認(rèn)狀態(tài)。

4、模擬輸入輸出

模擬輸入輸出模式中，雙MOS管結(jié)構(gòu)被關(guān)閉，施密特觸發(fā)器停用，上/下拉也被禁止，其他外設(shè)通過模擬通道進(jìn)行輸入輸出。

通過GPIO寄存器寫入不同的參數(shù)，就可以改變GPIO的用用模式。再GPIO外設(shè)中，通過設(shè)置“模式寄存器GPIOx_MODER”可配置GPIO的輸出/輸出/復(fù)用/模擬模式，“輸出類型寄存器GPIOx_OTYPER”配置推挽/開漏模式，配置“輸出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR”可選2/25/50/100MHz輸出速度，“上/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”可配置上拉/下拉/浮空模式，各寄存器的具體參數(shù)見下表。

　　審核編輯：湯梓紅