详细了解STM32----GPIO

2023-12-14 21:02:45

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一、什么是GPIO？

GPIO是单片机上的通用输入输出端口的简称，可以通过软件来控制其输入输出。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。

关于芯片引脚的分类：电源管脚、晶振管脚、复位管脚、下载管脚、BOOT管脚、GPIO管脚。

如下图（STM32系统板原理图）中的带P什么的都是STM32的引脚，其中大部分引脚都是用作GPIO，不过也可以用作其它作用，比如说PA9既可以用作GPIO，也可以用作USART1_TX引脚，具体用作什么需要我们后期自己去配置。
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二、GPIO基本结构

如下图是GPIO的内部电路构成：
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没有学过硬件的同学看到这张图也不用担心，王老师带你们看，首先我们从右向左看，最右边是不是有两个二极管，这个是保护二极管，二极管的作用是不是单向导通，那它是怎么起保护作用的呢？我们先来看上面的二极管。

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众所周知，STM32的运行电压一般是3.3V，有些引脚也能接受5V的电压，当然，除了某些AD引脚之外，AD是什么？AD就是我们单片机中的一个模数转换器。现在假设我们输入一个Vc电压，Vc是大于STM32的可接受的电压范围，此时，我们可以发现上面的那个二极管是接了一个VDD的，VDD是什么？VDD是一般外接了一个3.3V的电压，好，看到这里我们怎么去看了呢？别着急，我们可以用整体法，如下图：
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我们可以把这个分为两个部分，第一个是内部的电路，第二个是那个保护二极管，我们可以发现，这两个部分是不是构成了一个并联电路呀？并联电路的特点是什么？电压相等吧，还有分流，此时，当我们输入一个VDD时，1部分的电压就会被2部分的电压拉低，从而起到了一个保护作用。下面的二极管亦是如此。

三、GPIO的输入输出模式

GPIO一共有八种输入输出模式，其中有四种输出模式：推挽输出、开漏输出、复用推挽以及复用开漏，四种输入模式：浮空输入、上拉输入、下拉输入以及模拟输入。下面我们来一一介绍一下GPIO的各种模式。

1、推挽输出

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如图黄色部分是推挽输出的电路，我们从左往右看。输出嘛，肯定能输出一个高低电平，但这个是如何在我们写1的时候输出高电平，写0的时候输出一个低电平的呢？
假设我们现在写了一个1，1被输入到输出数据寄存器，然后被输入到了输出控制电路，重点来了，输出控制电路中有一个反相器，什么是反相器？反相器就是当我们写1的时候经过反相器输出的是一个0，当我们写0的时候经过反相器输出的是一个1，好，知道这一点之后我们回到刚刚我们写1。此时经过反相器，两条支路都输出了一个0，好，此时我们又要了解P·MOS管和N·MOS管，其中P·MOS管是低电平导通，N·MOS管是高电平导通，P·MOS管接了一个VDD，上面我们说过，VDD是外接了一个3.3V的电压，此时IO端口连接到P·MOS管，而P·MOS管又连了一个VDD，故此时IO端口就会输出一个高电平，同理我们写0的时候N·MOS管导通，而N·MOS管连接了VSS，而VSS是接地的，所以此时我们IO端口输出一个低电平。

2、开漏输出

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通过上图我们可以发现，开漏输出和推挽输出的电路有所区别，区别就是在开漏输出中，我们的P·MOS管是没有参与开漏输出这整个过程的。所以开漏输出有一个特点，就是不能输出一个高电平，当我们写1的时候开漏输出是没有任何输出的，此时的IO端口状态我们称之为高阻态。

3、复用推挽

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从上图我们可以发现，推挽和复用推挽的区别就在于复用推挽没有经过输出数据寄存器，而是来自片上外设模块，什么是片上外设呢？就是GPIO啊，ADC啊，IIC等等一些ST公司拿到ARM公司给的内核之后往上面添加的一些外设设备。好，知道这些之后，其它的就跟推挽输出差不多了，也能输出一个高低电平。

4、复用开漏

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复用开漏和复用推挽一样，都是来自片上外设模块，而且没有经过输出数据寄存器，其它的也和普通开漏输出模式一样，这里我们也不详细介绍了。

介绍完输出模式之后我们来介绍一下输入模式。

1、浮空输入

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如图黄色部分就是浮空输入的电路了，我们可以从右往左看，输入嘛，也就是外接了一个什么设备，然后IO端口读取这个外设输入进来的高低电平，我们看浮空输入，顾名思义，当我们既没有输入高电平也没有输入低电平的时候，此时IO端口的状态是浮空的，在空闲状态IO端口的电平既不是高电平也不是低电平。
然后这个还经过了一个TTL施密特触发器，众所周知，STM32板子是识别TTL信号的，什么是TTL信号呢？就像是0101这种高低电平的信号，如下图
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我们输入到IO端口的一般是模拟信号，而单片机只识别TTL信号，故我们需要经过一个TTL施密特触发器来将模拟信号转化为TTL信号，然后再输入到输入数据寄存器中

2、上拉输入

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上拉输入和浮空输入的区别就是有一个接了VDD开关的上拉电阻，当我们IO端口没有输入任何高低电平的时候IO端口的默认状态是高电平。

３、下拉输入

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我们可以看到，下拉输入有一个接了VSS开关的下拉电阻，当我们IO端口没有输入任何高低电平的时候IO端口的默认状态就是低电平。

３、模拟输入

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如图，模拟输入和以上三种输入的最大区别就是没有经过TTL施密特触发器，然后直接输入到片上外设模块，这个模式我们一般在用到ADC数据采集的时候会把引脚配置成模拟输入。

总结

GPIO端口一共有八种输入输出模式：
其中输出模式有：
推挽输出，开漏输出，复用推挽，复用开漏
输入模式有：
浮空输入，上拉输入，下拉输入，模拟输入

文章来源:https://blog.csdn.net/wbyyd1314/article/details/134895225
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