【STM32学习笔记】（3）—— GPIO模式详解
时间：2022-09-10 13:30:00
GPIO模式详解
STM32F103ZET6的引脚与GPIO：
STM32F103ZET6一共有144个引脚，112个IO口。
- 一共有7组IO口 （GPIOA--GPIOG）
- 每组IO口有16个IO (GPIO_Pin_0-- GPIO_Pin_15)
- 一共16X7=112个IO
GPIO介绍：
GPIO(General Purpose Intput Output):通用输入输出端口的缩写。
软件可以控制GPIO输出或输入。STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通信，控制以及数据采集的功能。
每个GPIO端口有两个32位置的寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器 (GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，32位置/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，16个复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。
根据数据手册中列出的每个数据I/O端口的特定硬件特性， GPIO软件可以将端口的每个位置分别分配到多种模式(八种GPIO模式）。
●四种输入模式
─ 输入浮空
─ 输入上拉
─ 输入下拉
─ 模拟输入
●四种输出模式
─ 开漏输出 (上拉或下拉)
─ 推挽式输出 (上拉或下拉)
─ 推挽式复用功能 (上拉或下拉)
─ 开漏复用功能 (上拉或下拉)
IO端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问)。
GPIO基本结构简介：
保护二极管
GPIO引脚外接两根保护二次管，可防止引脚外部电压输入过高或过低。当引脚电压高于时 VDD 当引脚电压低于引脚电压时，上二极管导通； VSS 下二极管导通，防止异常电压引入芯片导致芯片烧毁。
STM32的GPIO虽然外接了两个保护二极管，但是GPIO如果不能直接外接大功率设备，GPIO强制驱动要么电机不转动，要么芯片烧坏，必须增加功率和隔离电路驱动。
上下拉电路
上拉电阻与VDD下拉电阻和开关VSS有一个开关。控制两个开关的关闭可以实现电路的上下拉功能(即配置GPIO默认状态是高电平还是低电平)。
当上拉开关关闭，下拉开关打开时：配置GPIO默认电平为高电平、高电平和VDD相等。
当上拉开关打开，下拉开关闭合时：配置GPIO的默认电平是低电平，低电平的电压与VSS相等。当上拉开关与下拉开关有且仅有一个闭合时，GPIO的电平时固定的，并不是可变的，这样就可以消除引脚不定状态的影响。
当上拉开关和下拉开关都关断，这种状态我们称为浮空模式，一旦配置成这个模式，引脚的电压是不确定的，而且还不时改变，所以一般情况下我们都会给引脚设置成上拉或者下拉模式，使它有一个默认状态。
上拉开关闭合时，虽然是上拉状态但是仅仅是一个弱上拉状态，，也就是说通过此上拉电阻输出的电流很小，驱动能力很弱，如果想要输出一个大电流，那么就需要外接上拉电阻了。
P-MOS 和N-MOS单元电路
GPIO 引脚经过外接的两个保护二极管后就分成两路：上面一路是“输入模式”，下面一路是“输出模式”。
输出模式：线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS管组成的单元电路，使得GPIO 引脚具有了推挽输出和开漏输出两种输出模式。推挽输出和开漏输出两种输出模式的名字时根据P-MOS 和 N-MOS 管的工作方式命名的。
─ 推挽输出模式：
在该结构单元输入一个低电平时，P-MOS 管截止，N-MOS 管导通，对外输出低电平VSS。
在该结构单元输入一个高电平时，P-MOS 管导通，N-MOS 管截止，对外输出高电平VDD。
如果当切换输入高低电平时，两个 MOS 管将轮流导通，一个负责灌电流（电流输出到负载），一个负责拉电流（负载电流流向芯片），使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。
─ 开漏输出模式：
在开漏输出模式时，不论输入是高电平还是低电平，P-MOS 管总处于关闭状态。
在该结构单元输入一个低电平时，N-MOS 管导通，对外输出低电平VSS。
在该结构单元输入一个低电平时，N-MOS 管截至，引脚状态既不是高电平，也不是低电平，我们称之为高阻态。
如果想让引脚输出高电平，那么引脚必须外接一个上拉电阻，由上拉电阻提供高电平。
开漏输出模式的特点：
当GPIO的引脚为开漏输出模式的情况下，引脚具有“线与”关系。即多个开漏输出模式的引脚接在一起，只要有一个引脚为低电平，其他所有管脚都为低电平，即把所有引脚连接在一起的这条总线拉低了。
当所有引脚输出高阻态时，这条总线的电平由上拉电阻的 VDD 决定。如果 VDD 连接的是3.3V，那么引脚输出的就是 3.3V，如果 VDD 连接的是 5V，那么引脚输出的就是 5V。
总结：
推挽输出模式一般应用在输出电平为 0-3.3V 而且需要高速切换开关状态的场合。除了必须要用开漏输出模式的场合，我们一般选择推挽输出模式。
TTL肖特基触发器
TTL肖特基触发器其实可以理解为用肖特基管构成的施密特触发器。
施密特触发器（Schmitt Trigger）是包含正反馈的比较器电路。
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时所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。
总结：
TTL肖特基触发器：可将一些模拟信号最终转化为数字信号。
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。
在TTL肖特基触发器之前的电平信号为模拟信号，而经过TTL肖特基触发器之后的电平信号为数字信号。
GPIO的八种模式详解
四种输入模式
——输入浮空模式：
浮空输入模式就是上拉开关和下拉开关都不导通，GPIO引脚的电平不确定的状态，处于浮空的状态下的模式。
由于逻辑器件的内部结构，当它输入引脚悬空时，相当于该引脚接了高电平。一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。通俗讲就是浮空就是浮在空中，就相当于此端口在默认情况下什么都不接，呈高阻态，这种设置在数据传输时用的比较多。浮空最大的特点就是电压的不确定性，它可能是0V，页可能是VCC，还可能是介于两者之间的某个值（最有可能） 浮空一般用来做ADC输入用，这样可以减少上下拉电阻对结果的影响。
——输入上拉模式：
输入上拉状态就是将GPIO的输出引脚与一个电阻串联与VDD相连的电路。即上拉开关闭合，下拉开关断开，那么就是配置GPIO的默认电平是高电平。输入上拉就是把GPIO的电平拉高，比如拉到VDD。输入上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平。电阻同时起到限流的作用。
——输入下拉模式：
输入下拉状态就是将GPIO的输出引脚与一个电阻串联与VSS相连的电路。即上拉开关断开，下拉开关闭合，那么就是配置GPIO的默认电平是低电平。输入下拉就是把GPIO的电平拉低，比如拉到VDD。输入下拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在低电平。电阻同时起到限流的作用。
——模拟输入模式：
模拟输入模式是指传统方式的输入，数字输入是输入PCM数字信号，即0和1的二进制数字信号，通过数模转换，转换成模拟信号，经前级放大进入功率放大器，功率放大器还是模拟的。
四种输出模式
——开漏输出模式：
只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。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。适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。
开漏形式的电路有以下四个特点：
1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。
2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻的阻 决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻 越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度)。
3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
4. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。
在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和N个 NPN 或 N-MOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(N-MOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑。
其实可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。
——开漏复用输出模式：
复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，但必须工作在开漏输出模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
——推挽输出模式：
推挽式输出：可以输出高，低电平，连接数字器件;推挽结构一般是指两个三级管分别受到互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源决定。
推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形方法任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小，效率高。输出即可以向负载灌电流。推拉式输出级即提高电路的负载能力，又提高开关速度。
——推挽复用输出模式：
复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，但必须工作在推挽输出模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
GPIO的寄存器详解
每组GPIO端口的寄存器包括是每组IO口含下面7个寄存器，也就是7个寄存器，
一共可以控制一组GPIO的16个IO口：
两个32位配置寄存器（GPIOx_CRL , GPIOx_CRH）
两个32位数据寄存器（GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR）
一个32位置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）
一个16位复位寄存器（GPIOx_BRR）
一个32位锁定寄存器（GPIOx_LCKR）
- 如果配置一个IO口需要2个位，那么刚好32位寄存器配置一组IO口16个IO口
- 如果配置一个IO口只需要1个位，一般高16位保留
- BSRR寄存器32位分为低16位BSRRL和高16位BSRRH，BSRRL配置一组IO口的16个IO口的置位状态（1），BSRRH配置复位状态（0）。
——端口模式寄存器(GPIOx_CRL)：
GPIOx_CRL是配置GPIOx的0—7的低位寄存器，这个寄存器一个由32个位组成，每四个位配置一个GPIOx端口0—7的引脚。低二位是配置端口x的模式位，高二位是配置x的配置位。
——端口模式寄存器(GPIOx_CRH)：
GPIOx_CH是配置GPIOx的8—15的低位寄存器，这个寄存器一个由32个位组成，每四个位配置一个GPIOx端口8—15的引脚。低二位是配置端口x的模式位，高二位是配置x的配置位。
——端口模式寄存器(GPIOx_IDR)：
——端口模式寄存器(GPIOx_ODR)：
——端口模式寄存器(GPIOx_BSRR)：
——端口模式寄存器(GPIOx_BRR)：
——端口模式寄存器(GPIOx_LCKR)：
STM32的GPIO模式选择
（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别。
（2）GPIO_Mode_IPU——IO内部上拉电阻输入。
（3）GPIO_Mode_IPD—— IO内部下拉电阻输入。
（4）GPIO_Mode_AIN——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电。
（5）GPIO_Mode_Out_OD ——当GPIO输出低电平时接GND，当GPIO输出高电平时悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为高电平时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。
（6）GPIO_Mode_Out_PP ——当GPIO输出低电平时接GND，当GPIO输出高电平时接VCC，读输入值是未知的。
（7）GPIO_Mode_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）。
（8）GPIO_Mode_AF_OD ——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）。
