一文全面掌握stm32的GPIO知識

1 初學(xué)者重要提示

本文主要是以stm32H7系列為主。

對于不使用的引腳，推薦設(shè)置為模擬模式，懸空即可。

GPIO的速度等級高的時候，最好使能IO補償單元。

2 GPIO功能簡介

STM32H7的GPIO特性如下：

輸出狀態(tài)：開漏/推挽 + 上拉/下拉電阻。

通過輸出數(shù)據(jù)寄存器（GPIOx_ODR）或者外設(shè)（GPIO設(shè)置為復(fù)用模式時）輸出數(shù)據(jù)。

GPIO速度等級設(shè)置。

輸入狀態(tài)：浮空，上拉/下拉，模擬。

通過輸入數(shù)據(jù)寄存器（GPIOx_IDR）或者外設(shè)（GPIO設(shè)置為復(fù)用模式）輸入數(shù)據(jù)。

通過寄存器GPIOx_BSRR實現(xiàn)對寄存器GPIOx_ODR的位操作。

通過配置寄存器GPIOx_LCKR的鎖機制，實現(xiàn)凍結(jié)IO口配置。

每兩個時鐘周期就可以翻轉(zhuǎn)一次IO。

高度靈活的引腳復(fù)用功能，允許IO引腳既可以做GPIO也可以做功能復(fù)用。

3 GPIO功能模式分析（重要）

STM32H7的GPIO端口可以配置為如下的8種模式：

輸入浮空

輸入上拉

輸入下拉

模擬功能

具有上拉或下拉功能的開漏輸出

具有上拉或下拉功能的推挽輸出

具有上拉或下拉功能的復(fù)用功能推挽

具有上拉或下拉功能的復(fù)用功能開漏

由于上拉和下拉是可選配置，對應(yīng)的HAL庫配置使用下面6種就可以表示：

GPIO_MODE_INPUT 輸入模式

GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽輸出

GPIO_MODE_OUTPUT_OD 開漏輸出

GPIO_MODE_AF_PP 復(fù)用推挽

GPIO_MODE_AF_OD 復(fù)用開漏

GPIO_MODE_ANALOG 模擬模式

3.1 推挽輸出

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。電路工作時，兩只對稱的開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，導(dǎo)通損耗小、效率高。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級提高電路的負(fù)載能力。相對于開漏輸出模式，推挽輸出最大優(yōu)勢是輸出高電平時，上升時間快，電壓驅(qū)動能力強。

3.2 開漏輸出

開漏端相當(dāng)于 MOS 管的漏極（三極管的集電極），要得到高電平狀態(tài)必須外接上拉電阻才行，因此輸出高電平的驅(qū)動能力完全由外接上拉電阻決定，但是其輸出低電平的驅(qū)動能力很強。開漏形式的電路有以下幾個特點：

輸出高電平時利用外部電路的驅(qū)動能力，減少 IC 內(nèi)部的驅(qū)動。

開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的，因為開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平。如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個優(yōu)點是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。

開漏輸出提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

可以將多個開漏輸出連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系，即“線與”。可以簡單的理解為：在所有引腳連在一起時，外接一上拉電阻，如果有一個引腳輸出為邏輯 0，相當(dāng)于接地，與之并聯(lián)的回路“相當(dāng)于被一根導(dǎo)線短路”，所以外電路邏輯電平便為 0，只有都為高電平時，與的結(jié)果才為邏輯 1。

3.3 復(fù)用推挽和開漏

復(fù)用指的是GPIO切換到CPU內(nèi)部設(shè)備（比如SPI,I2C,UART等電路），也就是GPIO不是作為普通IO使用，是由內(nèi)部設(shè)備直接驅(qū)動。推挽和開漏的特征同上。

3.4 四種輸入模式

通過上面的引腳結(jié)構(gòu)圖可以得到如下三種方式

浮空輸入：CPU內(nèi)部的上拉電阻、下拉電阻均斷開的輸入模式。

下拉輸入：CPU內(nèi)部的下拉電阻使能、上拉電阻斷開的輸入模式。

上拉輸入：CPU內(nèi)部的上拉電阻使能、下拉電阻斷開的輸入模式。

而模擬輸入模式是GPIO引腳連接內(nèi)部ADC。

4 GPIO的拉電流負(fù)載和灌電流負(fù)載能力

這里先普及點小知識，什么是拉電流負(fù)載，什么是灌電流負(fù)載。

拉電流負(fù)載：一種負(fù)載電流從驅(qū)動門流向外電路，稱為拉電流負(fù)載。比如使用STM32H7的GPIO直接驅(qū)動LED就是拉電流形式。

灌電流負(fù)載：負(fù)載電流從外電路流入驅(qū)動門，稱為灌電流負(fù)載。比如下面這種形式的LED驅(qū)動電路

有了上面這些知識后再來看STM32H7的IO驅(qū)動能力（截圖來自STM32H7參考手冊）：

通過上面的截圖可知：STM32H7總的拉電流和灌電流不可超過140mA，單個引腳最大不可超過20mA，這個知識點，大家要知道。

5 IO補償單元，用于高速

IO補償單元用于控制I/O通信壓擺率（tfall/ trise）以此來降低I/O噪聲。當(dāng)前STM32H7的速度等級可以配置為以下四種：

/** @defgroup GPIO_speed_define  GPIO speed define
  * @brief GPIO Output Maximum frequency
  * @{
  */  
#define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW         ((uint32_t)0x00000000U)  /*!< Low speed     */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      ((uint32_t)0x00000001U)  /*!< Medium speed  */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH        ((uint32_t)0x00000002U)  /*!< Fast speed    */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH   ((uint32_t)0x00000003U)  /*!< High speed    */

使用后兩種速度等級的話，最好使能IO補償單元。

6 GPIO兼容CMOS和TTL電平

CMOS和TTL電平兼容問題也是一個比較重要的知識點

7 不使用的引腳推薦設(shè)置為模擬模式

主要從功耗和防干擾考慮。

所有用作帶上拉電阻輸入的 I/O都會在引腳外部保持為低時產(chǎn)生電流消耗。此電流消耗的值可通過使用的靜態(tài)特性中給出的上拉 / 下拉電阻值簡單算出。

對于輸出引腳，還必須考慮任何外部下拉電阻或外部負(fù)載以估計電流消耗。

若外部施加了中間電平，則額外的 I/O 電流消耗是因為配置為輸入的 I/O。此電流消耗是由用于區(qū)分輸入值的輸入施密特觸發(fā)器電路導(dǎo)致。除非應(yīng)用需要此特定配置，否則可通過將這些I/O 配置為模擬模式以避免此供電電流消耗。ADC 輸入引腳應(yīng)配置為模擬輸入就是這種情況。

任何浮空的輸入引腳都可能由于外部電磁噪聲，成為中間電平或意外切換。為防止浮空引腳相關(guān)的電流消耗，它們必須配置為模擬模式，或內(nèi)部強制為確定的數(shù)字值。這可通過使用上拉 / 下拉電阻或?qū)⒁_配置為輸出模式做到。

綜上考慮，不使用的引腳設(shè)置為模擬模式，懸空即可。

審核編輯：湯梓紅