嵌入式中GPIO的工作原理-面试工作必会技能

GPIO工作方式

1、4种输入模式

• 输入浮空
• 输入上拉
• 输入下拉
• 模拟输入

? ? ? ? 如下图为GPIO的基本结构，它主要由4部分组成，其中我们所看到的的最右边的I/O引脚，也就是芯片外接可看到的引脚，其它的部分都是GPIO内部的结构。

?①保护二极管

????????保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚输入电压高于 VDD 时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于 VSS 时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路。

②上拉、下拉电阻

????????它们阻值大概在 30~50K 欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄 存器控制。当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电 平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作， 则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。 浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，STM32 的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是 得外部上拉。

③施密特触发器

????????对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。

????????施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波 形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开回路配置中用于抗扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。

④ P-MOS管和N-MOS管

????????这个结构控制 GPIO 的开漏输出和推挽输出两种模式。开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。推挽输出：这两只对称的 MOS 管每次只有一 只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。

? ? ? ? 下面我们对GPIO八种工作模式对应的结构图的工作进行介绍

1、输入浮空：只有上边的输入部分起作用，下边的输出部分不起作用。

? ? ? ? 处于浮空状态时，上拉或者下拉处于断开状态，此时施密特触发器是打开，输出被禁止?。输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输 入电平是不确定的。该模式可以用于按键检测等场景。

2、输入上拉：只有上边的输入部分起作用，下边的输出部分不起作用。

????????上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。

3、输入上拉：只有上边的输入部分起作用，下边的输出部分不起作用。

?????????下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻 的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较 大，所以不适合做电流型驱动。

4、模拟输入

?????????上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双 MOS 管也关闭。该模式用于 ADC 采 集或者 DAC 输出，或者低功耗下省电。