GPIO基本知識
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。那STM32引腳是如何分類的？GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的，隨海翎光電的小編一起看看吧！
一、GPIO是什么？
GPIO（英語：General-purpose input/output）
通用輸入輸出端口的簡稱。可以通過軟件控制其輸出和輸入。stm32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來，GPIO既然一個引腳可以用于輸入、輸出或其他特殊功能，那么一定有寄存器用來選擇這些功能。對于輸入，一定可以通過讀取某個寄存器來確定引腳電位的高低；對于輸出，一定可以通過寫入某個寄存器來讓這個引腳輸出高電位或者低電位；對于其他特殊功能，則有另外的寄存器來控制它們。
二、STM32引腳分類
三、GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)
引腳內(nèi)部加上這兩個保護二級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 VDD_FT 或 VDD 時，上方的二極管導(dǎo)通吸收這個高電壓。 當(dāng)引腳電壓低于 VSS 時，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。
上拉和下拉電阻上都有一個開關(guān)，通過配置上下拉電阻開關(guān)，可以控制引腳的默認(rèn)狀態(tài)電平。 當(dāng)開啟上拉時引腳默認(rèn)電壓為高電平， 開啟下拉時，引腳默認(rèn)電壓為低電平，這樣就可以消除引腳不定狀態(tài)的影響。 將上拉和下拉的開關(guān)都關(guān)斷，這種狀態(tài)我們稱為浮空模式，一旦配置成這個模式，引腳的電壓是不確定的，如果用萬用表測量此模式下管腳電壓時會發(fā)現(xiàn)只有 1 點幾伏，而且還不時改變，所以一般情況下我們都會給引腳設(shè)置成上拉或者下拉模式，使它有一個默認(rèn)狀態(tài)。 STM32 上下拉及浮空模式的配置是通過GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器控制的。 STM32 內(nèi)部的上拉其實是一個弱上拉，也就是說通過此上拉電阻輸出的電流很小，如果想要輸出一個大電流，那么就需要外接上拉電阻了。
GPIO 引腳經(jīng)過兩個保護二極管后就分成兩路， 上面一路是“輸入模式”，下面一路是“輸出模式”。 輸出模式，線路經(jīng)過一個由 P-MOS 和 N-MOS管組成的單元電路，這讓 GPIO 引腳具有了推挽和開漏兩種輸出模式。 推挽輸出模式，是根據(jù) P-MOS 和 N-MOS 管的工作方式命名的。 在該結(jié)構(gòu)單元輸入一個高電平時，P-MOS 管導(dǎo)通，N-MOS 管截止，對外輸出高電平（3.3V）。 在該單元輸入一個低電平時，P-MOS 管截止，N-MOS 管導(dǎo)通，對外輸出低電平（0V）。 如果當(dāng)切換輸入高低電平時，兩個 MOS 管將輪流導(dǎo)通，一個負(fù)責(zé)灌電流（電流輸出到負(fù)載），一個負(fù)責(zé)拉電流（負(fù)載電流流向芯片），使其負(fù)載能力和開關(guān)速度都比普通的方式有很大的提高。下圖為推挽輸出模式的等效電路。
在開漏輸出模式時，不論輸入是高電平還是低電平，P-MOS 管總處于關(guān)閉狀態(tài)。 當(dāng)給這個單元電路輸入低電平時，N-MOS 管導(dǎo)通，輸出即為低電平。 當(dāng)輸入高電平時，N-MOS 管截止，這個時候引腳狀態(tài)既不是高電平，又不是低電平，我們稱之為高阻態(tài)。 如果想讓引腳輸出高電平，那么引腳必須外接一個上拉電阻，由上拉電阻提供高電平。開漏輸出模式等效電路圖如下圖所示。
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在開漏輸出模式中還有一個特點，引腳具有“線與”關(guān)系。即多個開漏輸出模式的引腳接在一起，只要有一個引腳為低電平，其他所有管腳都為低電平，即把所有引腳連接在一起的這條總線拉低了。
只有當(dāng)所有引腳輸出高阻態(tài)時這條總線的電平才由上拉電阻的 VDD 決定。如果 VDD 連接的是 3.3V，那么引腳輸出的就是 3.3V，如果 VDD 連接的是 5V，那么引腳輸出的就是 5V。因此如果想要讓 STM32 管腳輸出 5V，可以選擇開漏輸出模式，然后在外接上拉電阻的電源 VDD 選擇 5V 即可，前提是這個 STM32 引腳是容忍 5V 的。開漏輸出模式一般應(yīng)用在 I2C、SMBUS 通訊等需要“線與”功能的總線電路中。還可以用在電平不匹配的場合中，就如上面說的輸出 5V 一樣。 推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為 0-3.3V 而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場合。除了必須要用開漏輸出模式的場合，我們一般選擇推挽輸出模式。要配置引腳是開漏輸出還是推挽輸出模式可以使用GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器。
四、GPIO具有8種模式，四種輸入模式，四種輸出模式。
輸入模式：
輸出模式：
開漏輸出（上拉或者下拉）GPIO_Mode_Out_OD
開漏復(fù)用功能（上拉或者下拉）GPIO_Mode_AF_OD
推挽式輸出（上拉或者下拉）GPIO_Mode_Out_PP
推挽式復(fù)用功能（上拉或者下拉）GPIO_Mode_AF_PP
四種最大輸出速度：
2MHZ
25MHZ
50MHZ
1000MHZ
五、GPIO8種模式含義
輸入浮空：浮空就是邏輯器件與引腳即不接高電平，也不接低電平。由于邏輯器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)它輸入引腳懸空時，相當(dāng)于該引腳接了高電平。一般實際運用時，引腳不建議懸空，易受干擾。通俗講就是浮空就是浮在空中，就相當(dāng)于此端口在默認(rèn)情況下什么都不接，呈高阻態(tài)，這種設(shè)置在數(shù)據(jù)傳輸時用的比較多。浮空最大的特點就是電壓的不確定性，它可能是0V，頁可能是VCC，還可能是介于兩者之間的某個值（最有可能） 浮空一般用來做ADC輸入用，這樣可以減少上下拉電阻對結(jié)果的影響。
輸入上拉模式：上拉就是把點位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平。電阻同時起到限流的作用。弱強只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分。
輸入下拉：就是把電壓拉低，拉到GND。與上拉原理相似。
模擬輸入：模擬輸入是指傳統(tǒng)方式的輸入，數(shù)字輸入是輸入PCM數(shù)字信號，即0,1的二進制數(shù)字信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)前級放大進入功率放大器，功率放大器還是模擬的。
開漏復(fù)用功能：可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（即并非作為通用IO口使用）。端口必須配置成復(fù)用功能輸出模式（推挽或開漏）
推挽式輸出：可以輸出高，低電平，連接數(shù)字器件;推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個三級管分別受到互補信號的控制，總是在一個三極管導(dǎo)通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。
推挽電路是兩個參數(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)半周的波形方法任務(wù)，電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小，效率高。輸出即可以向負(fù)載灌電流。推拉式輸出級即提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。
推挽式復(fù)用功能：可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（并非作為通用IO口使用）
GPIO的主要寄存器
每個I/O端口位可以自由編程，然而I/O端口寄存器必須按32位字被訪問(不允許半字或字節(jié)訪問)，**一些寄存器的使用功能可以通過立創(chuàng)商場查找相應(yīng)單片機芯片的數(shù)據(jù)手冊來查閱，然后進行相應(yīng)的端口配置，以達(dá)到IO口初始化的效果。**也可以通過以下鏈接來查看GPIO相關(guān)寄存器配置詳情。
GPIO相關(guān)寄存器
六、在stm32中選用io模式
（1） 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別，RX1
（2）帶上拉輸入_IPU——IO內(nèi)部上拉電阻輸入
（3）帶下拉輸入_IPD—— IO內(nèi)部下拉電阻輸入
（4）模擬輸入_AIN ——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
（5）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，才能實現(xiàn)輸出高電平。當(dāng)輸出為1時，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?。可以讀IO輸入電平變化，實現(xiàn)C51的IO雙向功能
（6）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
（7）復(fù)用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內(nèi)外設(shè)功能（I2C的SCL,SDA）
（8）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）
總結(jié)：之前對于配置寄存器都是通過例程來進行配置的，當(dāng)自己實際來進行配置的時候還是有點困難，經(jīng)過多次練習(xí)后，自己掌握了一些寄存器的應(yīng)用場景之后，配置端口的速度也有所提升，也對之前不懂的地方有了新的理解，總的來說，成功沒有捷徑，還是要多練習(xí)，多看stm32中的一些底層函數(shù)，這樣才有更好的提升。好了，海翎光電的小編今日分享就到這里。