GPIO不同模式之間的區(qū)別與實(shí)現(xiàn)方式

GPIO全稱General Purpose Input Output，即通用輸入/輸出。其實(shí)GPIO的本質(zhì)就是芯片的一個(gè)引腳。由于每個(gè)開發(fā)板上都會(huì)設(shè)計(jì)不同的外圍電路，這就造成了GPIO的功能可能有所不同。大部分GPIO都是有復(fù)用功能的，比如有些GPIO可能是串口的TX或RX，也可能是I2C的SCL或SDA線。

所以，我們不僅要知道GPIO能夠輸出高低電平，還要理解為什么有些GPIO可以復(fù)用某些功能，而其他的不可以。

一、GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)

我們?cè)谑褂肎PIO的時(shí)候，可能不會(huì)去想為什么通過(guò)寫代碼或者操作寄存器就可以控制一個(gè)引腳的高低電平。

今天就讓我們一起來(lái)看看，為什么通過(guò)操作寄存器（其實(shí)寫代碼的過(guò)程就是在操作寄存器）就能控制引腳輸入或者輸出。

我們想要想控制一個(gè)GPIO口的需要操作7個(gè)寄存器，分別是CRL，CRH，IDR，ODR，BRR，BSRR，LCKR我們對(duì)GPIO的操作本質(zhì)上就是在對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫操作，以下是這些寄存器的名稱：

首先，我們分析一下上面的結(jié)構(gòu)電路。

1、保護(hù)二極管

保護(hù)二極管從它的名字就不難想到他是用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的，通過(guò)兩個(gè)二極管的導(dǎo)通可以防止引腳外部輸入電壓過(guò)低或過(guò)高。當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，上方的保護(hù)二極管導(dǎo)通。當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓導(dǎo)入到芯片內(nèi)部造成芯片燒毀。

2、P·MOS管和N·MOS管

GPIO經(jīng)過(guò)兩個(gè)二極管的保護(hù)后向上流入輸入模式，向下流入輸出模式，而輸出模式的控制是由一個(gè)由P·MOS管和N·MOS管組成的單元電路，該電路主要是控制輸出的模式，由該結(jié)構(gòu)狗策劃給你的單元電路具有推挽輸出和開漏輸出兩種模式。

當(dāng)系統(tǒng)配置為推挽輸出模式時(shí)：

若向該結(jié)構(gòu)中輸入高電平，經(jīng)過(guò)反向后，上方的P-MOS導(dǎo)通，下方的N-MOS關(guān)閉，對(duì)外輸出高電平；

若向該結(jié)構(gòu)中輸入低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)反向后，下方的N-MOS管導(dǎo)通，上方的P-MOS關(guān)閉，對(duì)外輸出低電平。

當(dāng)引腳高低電平切換時(shí)，兩個(gè)MOS管輪流導(dǎo)通，P管負(fù)責(zé)灌電流，N管負(fù)責(zé)拉電流，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。**推挽輸出的低電平為0V，高電平為3.3V**。

當(dāng)系統(tǒng)配置為開漏輸出模式時(shí)：

上方的P-MOS管完全不工作；

如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管關(guān)閉，N-MOS管導(dǎo)通，使輸出接地；

若控制輸出為1（它無(wú)法直接輸出高電平）時(shí)，則P-MOS管和N-MOS管都關(guān)閉，所以開漏輸出模式下引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態(tài)。

推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為0和3.3V而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場(chǎng)合。開漏輸出模式一般應(yīng)用在I2C、SMBUS通信等需要線與功能的總線電路中。

在單片機(jī)中除了必須用開漏模式的場(chǎng)合，一般習(xí)慣使用推挽輸出模式。

3、輸出數(shù)據(jù)寄存器

前面我們知道雙了MOS管結(jié)構(gòu)電路的輸入信號(hào)，是由GPIO輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR提供的，因此我們可以通過(guò)修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，就可以修改GPIO引腳的輸出電平。而置位/復(fù)位寄存器GPIOx_BSRR可以通過(guò)修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，從而影響電路的輸出。

4、復(fù)用功能輸出

復(fù)用功能輸出中的復(fù)用是指STM32的其他片上外設(shè)對(duì)GPIO引腳進(jìn)行控制，此時(shí)GPIO引腳用作該外設(shè)功能的一部分，算是第二用途。從其他外設(shè)引出來(lái)的復(fù)用功能輸出信號(hào)與GPIO本身的數(shù)據(jù)寄存器都連接到雙MOS管結(jié)構(gòu)的輸入中。

二、輸入輸出模式

GPIO共有8中輸入輸出模式，分別是：上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬輸入、開漏輸出、推挽輸出、開漏復(fù)用輸出、推挽復(fù)用輸出，下面我們?cè)敿?xì)介紹以下上面的八種輸入輸出模式。

上拉輸入：GPIO_Mode_IPU

下拉輸入：GPIO_Mode_IPD

浮空輸入：GPIO_Mode_IN_FLOATING

模擬輸入：GPIO_Mode_AIN

開漏輸出：GPIO_Mode_Out_OD

推挽輸出：GPIO_Mode_Out_PP

開漏復(fù)用：GPIO_Mode_AF_OD

推完復(fù)用：GPIO_Mode_AF_PP

下面，詳細(xì)講一下幾個(gè)常用的模式。

1、浮空輸入

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說(shuō)，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(wú)信號(hào)輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的，通常用于IIC、USART等總線設(shè)備上。

2、上拉輸入模式

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無(wú)信號(hào)輸入）的情況下，輸入端的電平保持在高電平（并且在I/O端口輸入為低電平的時(shí)候，輸入端的電平也是低電平）。

3、下拉輸入模式

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無(wú)信號(hào)輸入）的情況下，輸入端的電平保持在低電平；并且在I/O端口輸入為高電平的時(shí)候，輸入端的電平也是高電平。

4、模擬輸入模式

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

5、開漏輸出模式

見上面二中的詳細(xì)介紹。

6、開漏復(fù)用輸出模式

開漏復(fù)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(lái)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(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來(lái)決定的，一般用于片內(nèi)外設(shè)功能：TX1，MOSI，MISO，SCK，SS。

7、推挽輸出模式

見上面二中的詳細(xì)介紹。

8、推挽復(fù)用輸出模式

推挽復(fù)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(lái)源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，而是利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來(lái)決定的，常見采用推挽輸出模式的一般為片內(nèi)外設(shè)功能IIC的SCL、SDL。

三、開漏輸出和推挽輸出的區(qū)別

開漏輸出和推挽輸出模式的區(qū)別主要是開漏輸出只可以輸出強(qiáng)低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當(dāng)于三極管的集電極，適合于做電流型的驅(qū)動(dòng)，其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20ma以內(nèi))；推挽輸出可以輸出強(qiáng)高、低電平，連接數(shù)字器件。

四、STM32中GPIO的配置

在固件庫(kù)開發(fā)中，操作寄存器CRH和CRL來(lái)配置IO口的模式和速度是通過(guò)GPIO初始化函數(shù)完成：

初始化 GPIO 的常用格式是：

IO口速度設(shè)置有三個(gè)可選值：

模式則有8個(gè)可選定義如下：

五、總結(jié)

今天主要介紹了GPIO的定義，以及GPIO不同模式之間的區(qū)別與實(shí)現(xiàn)方式。相信看完本文，你會(huì)對(duì)GPIO有一個(gè)更深的理解。

如果是做軟件的小伙伴，可以不用太關(guān)注于GPIO是如何實(shí)現(xiàn)的，但是需要知道每個(gè)模式下GPIO的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。只有這樣，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中才能更好的配置出最合適的那個(gè)。