STM32入门教程-2023版【3-1】GPIO输出理论和电路基础

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大家好，我是硬核王同学，最近在做免费的嵌入式知识分享，帮助对嵌入式感兴趣的同学学习嵌入式、做项目、找工作!?

这部分【精华】强烈建议视频学习，听不懂的、不想听的可以直接做实验，做完再回来重新看！

一、GPIO输出理论部分

• GPIO （ General Purpose Input Output ）通用输入输出口

• GPIO 可配置为 8 种输入输出模式

• 引脚电平：0V~3.3V ，部分引脚可容忍 5V

数据0，就是0V低电平；数据1，就是3.3V高电平。容忍5V的意思是可以在这个端口输入5V，也认为是高电压。但对于输出而言，最大输出3.3V，因为供电就只有3.3V。具体哪些端口容忍5V，可以参考端口的引脚定义，带FT（Five Tolerate）就是可以容忍5V的

• 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动 LED 、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等

只要是可以用高低电平控制的地方，都可以使用GPIO控制，如果是功率比较大的设备，只需要加入驱动电路即可。GPIO还可以模拟通信协议，比如I2C、SPI或者某个芯片特定的协议，都可以使用GPIO的输出模式来模拟其中输出的时序部分

• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、 ADC 电压采集、模拟通信协议接收数据等

输入模式最常见的是读取按键，用来捕获我们的按键按下事件。另外可读取一些数字输出的模块，比如套件里光敏电阻模块、热敏电阻模块等。如果这个模块输出的是模拟量，那GPIO还可以配置成模拟输入的模式，再配合ADC外设，就可以直接读取端口的模拟电压了。除此之外，模拟通信协议时，接收通信线上的数据，也是靠GPIO的输入来完成的

二、GPIO基本结构

最左边的是APB2外设总线，也就是STM32系统结构图的这个位置

• 在STM32中所有GPIO都挂载在APB2外设总线上，其中GPIO外设的名字是以GPIOA、GPIOB......GPIOF这样的名称命名的。

• 每个GPIO一共有16个引脚，编号是0到15，那么GPIOA的第0号引脚，我们一般称之为PA0，以此类推PA1......一直到PA15。

• 在每个GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器。寄存器就是特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器读写，这样就可以完成输出电平和读取电平的功能了。这个寄存器每一位对应一个引脚，其中输出寄存器写1，对应引脚就会输出高电平，写0就会输出低电平；输入寄存器读取为1，就证明对应端口目前为高电平，读取为0，就是低电平

• 因为STM32都是32位的单片机，所以STM32内部的寄存器都是32位的，但端口只有16位，所以只有低16位对应的有端口，高16位是没有用到的

• 驱动器是为了增加信号的驱动能力的，寄存器只负责读取数据，如果要进行点灯这样的操作的话，还是需要驱动器负责加大驱动能力

三、GPIO每一位的具体结构

上拉和下拉的作用

这个其实是为了给输入提供一个默认的输入电平的，因为我对应一个数字端口，输入不是高电平就是低电平，那如果输入引脚啥都不接，就不好分辨是高电平还是低电平呢，实际是输入啥都不接，输入处于浮空状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变。为避免引脚悬空而导致输入数据不确定，需要在这里加上上拉或者下拉电阻

接入上拉电阻时，但引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，上拉输入可以称作默认为高电平的输入模式；下拉也是同理，就是默认的低电平的输入方式

上拉和下拉电阻的阻值还是比较大的，是一种弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作

施密特触发器的作用

就是对输入电压进行整形的，执行逻辑是，如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升高为高电平，输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平。引脚的波形是外界输入的，虽然是数字信号，实际情况下可能产生各种失真，信号可以经此整形，可以有效避免因信号波动造成的输出抖动现象

输出数据寄存器同时控制16个端口，并且这个寄存器只能整体读写，所以如果想单独控制而不影响其他端口的话，就需要一些特殊的操作方式。

• 第一种方式是，先读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去，在C语言中就是＆＝和|＝的操作，这种方式比较麻烦，效率不高，对于IO口操作而言不太合适。

• 第二种方式是通过设置这个位设置和位清除寄存器，如果要对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样它内部就会有电路，自动将输出数据寄存器中对应位置为1，而剩下写0的位则保持不变，这就保证了只操作其中某一位而不影响其它位，并且这是一步到位的操作，如果想对某一位进行清0的操作，就在位清除寄存器的对应位写1即可，这样内部电路就会把这一位清0了。

• 第三种操作方式，读写STM32中“位带”区域，这个位带的作用就和51单片机的位寻址作用差不多，在STM32中，专门分配有一段地址区域，这段地址映射了RAM和外设寄存器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位，这就是位带的操作方式。库函数使用的是第二种方式

MOS管

就是一种电子开关，信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS，在这里可以选择推挽、开漏或者关闭三种输出方式。在推挽输出的模式下，P-MOS和N-MOS均有效。数字寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，就是输出高电平；数据寄存器为0时，上管断开，下管导通，输出直接接到VSS，就是输出低电平，这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式也叫做强推输出模式。在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都是由STM32说的算。

在开漏输出模式下，这个P-MOS是无效的，只有M-MOS在工作，数据寄存器为1时，下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻模式；数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平，这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的，这个开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，就是使用开漏模式，在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰，另外开漏模式还可以用于输出5V的电平信号，比如在IO口外接一个上拉电阻到5V电源，当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS，当输出高电平时，由内部的上拉电阻拉高至5V，这样就可以输出5V的电平信号，用于兼容一些5V电平的设备，这就是开漏输出的主要用途。

剩下的一种状态是关闭，这个是的那个引脚配置为输入模式的时候，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部的信号来控制

作?者?：硬核王同学

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