GPIO八大工作模式介紹

GPIO是通用輸入/輸出端口的簡稱，是STM32可控制的引腳。GPIO的引腳與外部硬件設(shè)備連接，可實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數(shù)據(jù)的功能。由于STM32版本不同，因此引腳數(shù)量和功能也會(huì)不同，所以GPIO在進(jìn)行設(shè)置時(shí)會(huì)有所差異。大部分STM32引腳除了作為簡單的GPIO使用外，還會(huì)被復(fù)用于其他功能，比如USART，這些在STM32手冊中會(huì)有詳細(xì)介紹，使用時(shí)需要根據(jù)不同的型號(hào)進(jìn)行選擇。

每個(gè)GPIO內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)電路結(jié)構(gòu)，下圖即為該結(jié)構(gòu)，GPIO的大部分功能實(shí)現(xiàn)都與其相關(guān)。

以下是對電路圖中部分內(nèi)容介紹：

(1)保護(hù)二極管：IO引腳上下兩邊兩個(gè)二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入。當(dāng)引腳電壓高于VDD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。

但是盡管如此，還是不能直接外接大功率器件，須加大功率及隔離電路驅(qū)動(dòng)，防止燒壞芯片或者外接器件無法正常工作。

(2) P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式。

(3)TTL肖特基觸發(fā)器：信號(hào)經(jīng)過觸發(fā)器后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0和1的數(shù)字信號(hào)。但是，當(dāng)GPIO引腳作為ADC采集電壓的輸入通道時(shí)，用其“模擬輸入”功能，此時(shí)信號(hào)不再經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行TTL電平轉(zhuǎn)換。ADC外設(shè)要采集到的原始的模擬信號(hào)。

GPIO的工作模式分為：浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入、開漏輸出、復(fù)用開漏輸出、推挽輸出、復(fù)用推挽輸出等八種工作模式，同時(shí)還會(huì)支持三種最大翻轉(zhuǎn)速度依次為：2MHz\10MHz\50MHz。

以下為STM32使用中工作模式的定義：

(1) 浮空輸入模式

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無信號(hào)輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

(2) 上拉輸入模式

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號(hào)輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在高電平；并且在I/O端口輸入為低電平的時(shí)候，輸入端的電平也還是低電平。

(3) 下拉輸入模式

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號(hào)輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在低電平；并且在I/O端口輸入為高電平的時(shí)候，輸入端的電平也還是高電平。

(4) 模擬輸入模式

模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號(hào)（電壓信號(hào)，而非電平信號(hào)）直接模擬輸入到片上外設(shè)模塊，比如ADC模塊等等。

(5) 開漏輸出模式

開漏輸出模式下，通過設(shè)置位設(shè)置/清除寄存器或者輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，途經(jīng)N-MOS管，最終輸出到I/O端口。

這里要注意N-MOS管，當(dāng)設(shè)置輸出的值為高電平的時(shí)候，N-MOS管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就不會(huì)由輸出的高低電平?jīng)Q定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定；當(dāng)設(shè)置輸出的值為低電平的時(shí)候，N-MOS管處于開啟狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就是低電平。

同時(shí)，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進(jìn)行讀?。蛔⒁?，I/O端口的電平不一定是輸出的電平。

(6) 復(fù)用開漏輸出模式

復(fù)用開漏輸出模式，與開漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來決定的。

(7) 推挽輸出模式

推挽輸出模式下，通過設(shè)置位設(shè)置/清除寄存器或者輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，途經(jīng)P-MOS管和N-MOS管，最終輸出到I/O端口。

這里要注意P-MOS管和N-MOS管，當(dāng)設(shè)置輸出的值為高電平的時(shí)候，P-MOS管處于開啟狀態(tài)，N-MOS管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就由P-MOS管決定：高電平；當(dāng)設(shè)置輸出的值為低電平的時(shí)候，P-MOS管處于關(guān)閉狀態(tài)，N-MOS管處于開啟狀態(tài)，此時(shí)I/O端口的電平就由N-MOS管決定：低電平。

同時(shí)，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進(jìn)行讀取；注意，此時(shí)I/O端口的電平一定是輸出的電平。

(8) 復(fù)用推挽輸出模式

推挽復(fù)用輸出模式，與推挽輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來決定的。

推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOS管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制，總是在一個(gè)三極管或MOS管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。高低電平由輸出電平?jīng)Q定。

推挽電路是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)。電路工作時(shí)，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。

輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

開漏輸出：只可以輸出強(qiáng)低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當(dāng)于三極管的集電極。適合于做電流型的驅(qū)動(dòng)，其吸收電流的能力相對強(qiáng)(一般20ma以內(nèi))；

推挽輸出:可以輸出強(qiáng)高、低電平，連接數(shù)字器件。

左圖為推挽輸出模式，右圖為開漏輸出模式

浮空輸入_IN_FLOATING——浮空輸入，可以做KEY識(shí)別，RX1

帶上拉輸入_IPU——IO內(nèi)部上拉電阻輸入

帶下拉輸入_IPD——IO內(nèi)部下拉電阻輸入

模擬輸入_AIN——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電

開漏輸出_OUT_OD——IO輸出0接GND，IO輸出1，懸空，需要外接上拉電阻，才能實(shí)現(xiàn)輸出高電平。

當(dāng)輸出為1時(shí)，IO口的狀態(tài)由上拉電阻拉高電平，但由于是開漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變?yōu)榈碗娖交虿蛔??？梢宰xIO輸入電平變化，實(shí)現(xiàn)C51的IO雙向功能

推挽輸出_OUT_PP——IO輸出0-接GND，IO輸出1-接VCC，讀輸入值是未知的

復(fù)用功能的推挽輸出_AF_PP——片內(nèi)外設(shè)功能（I2C的SCL、SDA）

復(fù)用功能的開漏輸出_AF_OD——片內(nèi)外設(shè)功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）

好了，以上就是GPIO中的八大工作模式介紹，希望能對大家的學(xué)習(xí)有所幫助！