STM32的GPIO電路原理

ldjsld 2021-11-16

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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。

STM32F103ZET6芯片為144腳芯片，包括7個通用目的的輸入/輸出口（GPIO）組，分別為GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同時每組GPIO口組有16個GPIO口。通常簡略稱為PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x為0-15。

STM32的大部分引腳除了當GPIO使用之外，還可以復用為外設功能引腳，比如串口。相關文章：學習STM32單片機，繞不開的串口。

GPIO基本結構

每個GPIO內部都有這樣的一個電路結構，這個結構在本文下面會具體介紹。

保護二極管：IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入。當引腳電壓高于VDD時，上方的二極管導通；當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀。相關文章：如何用二極管實現(xiàn)不同電壓的輸出？但是盡管如此，還是不能直接外接大功率器件，須加大功率及隔離電路驅動，防止燒壞芯片或者外接器件無法正常工作。

P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式。這里的電路會在下面很詳細地分析到。

TTL肖特基觸發(fā)器：信號經(jīng)過觸發(fā)器后，模擬信號轉化為0和1的數(shù)字信號。但是，當GPIO引腳作為ADC采集電壓的輸入通道時，用其“模擬輸入”功能，此時信號不再經(jīng)過觸發(fā)器進行TTL電平轉換。ADC外設要采集到的原始的模擬信號。

這里需要注意的是，在查看《STM32中文參考手冊V10》中的GPIO的表格時，會看到有“FT”一列，這代表著這個GPIO口時兼容3.3V和5V的。如果沒有標注“FT”，就代表著不兼容5V。

STM32的GPIO工作方式

GPIO支持的輸入輸出模式：

GPIO_Mode_AIN 模擬輸入
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入
GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
GPIO_Mode_IPU 上拉輸入
GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出
GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出
GPIO_Mode_AF_OD 復用開漏輸出
GPIO_Mode_AF_PP 復用推挽輸出

每個I/O口可以自由編程，但I/O口寄存器必須按32位字被訪問。

下面將具體介紹GPIO的這八種工作方式：

浮空輸入模式

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無信號輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

上拉輸入模式

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在高電平；并且在I/O端口輸入為低電平的時候，輸入端的電平也還是低電平。

下拉輸入模式

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在低電平；并且在I/O端口輸入為高電平的時候，輸入端的電平也還是高電平。

模擬輸入模式

模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號（電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，比如ADC模塊等等。

開漏輸出模式

開漏輸出模式下，通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，途經(jīng)N-MOS管，最終輸出到I/O端口。這里要注意N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，N-MOS管處于關閉狀態(tài)，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高低電平?jīng)Q定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定；當設置輸出的值為低電平的時候，N-MOS管處于開啟狀態(tài)，此時I/O端口的電平就是低電平。同時，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀??；注意，I/O端口的電平不一定是輸出的電平。

開漏復用輸出模式

開漏復用輸出模式，與開漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。

推挽輸出模式

推挽輸出模式下，通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，途經(jīng)P-MOS管和N-MOS管，最終輸出到I/O端口。這里要注意P-MOS管和N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，P-MOS管處于開啟狀態(tài)，N-MOS管處于關閉狀態(tài)，此時I/O端口的電平就由P-MOS管決定：高電平；當設置輸出的值為低電平的時候，P-MOS管處于關閉狀態(tài)，N-MOS管處于開啟狀態(tài)，此時I/O端口的電平就由N-MOS管決定：低電平。同時，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀取；注意，此時I/O端口的電平一定是輸出的電平。

推挽復用輸出模式

推挽復用輸出模式，與推挽輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。

總結與分析

什么是推挽結構和推挽電路？

推挽結構一般是指兩個參數(shù)相同的三極管或MOS管分別受兩互補信號的控制，總是在一個三極管或MOS管導通的時候另一個截止。高低電平由輸出電平?jīng)Q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，各負責正負半周的波形放大任務。電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

開漏輸出和推挽輸出的區(qū)別？

開漏輸出：只可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極。適合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)；

推挽輸出:可以輸出強高、低電平，連接數(shù)字器件。

關于推挽輸出和開漏輸出，最后用一幅最簡單的圖形來概括：

該圖中左邊的便是推挽輸出模式，其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。

在STM32中選用怎樣選擇I/O模式？

浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別，RX1
帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入
帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入
模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
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)榈碗娖交虿蛔儭？梢宰xIO輸入電平變化，實現(xiàn)C51的IO雙向功能
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
復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL、SDA）
復用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）