【GD32 MCU入門教程】GD32 MCU GPIO 結(jié)構(gòu)與使用注意事項(xiàng)

1.前言

本文是專門為基于GD32 MCU開(kāi)發(fā)的工程設(shè)計(jì)人員提供，主要介紹了GPIO的功能配置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及在不同場(chǎng)景使用時(shí)的注意事項(xiàng)，旨在幫助GD32 MCU開(kāi)發(fā)者優(yōu)化對(duì)通用型輸入輸出端口（GPIO）的使用，正確快速的使用GD32 MCU進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

GPIO，通用型輸入輸出端口的簡(jiǎn)稱，可以通過(guò)軟件配置其輸出或者輸入，GD32 的 GPIO 引腳與外部設(shè)備連接，從而實(shí)現(xiàn)與外部通信，控制以及信號(hào)輸入的功能，是 GD32 MCU 中很常見(jiàn)，使用最廣泛的模塊。

每個(gè) GPIO 引腳可以由軟件配置為輸出（推挽或開(kāi)漏）、輸入、外設(shè)備用功能或者模擬模式。

每個(gè) GPIO 引腳都可以配置為上拉、下拉或浮空模式或無(wú)上拉/下拉。

GD32 MCU GPIO 主要特征有：

? 輸入/輸出方向控制；

? 施密特觸發(fā)器輸入功能；

? 每個(gè)引腳都具有弱上拉/下拉功能；

? 推挽/開(kāi)漏輸出使能控制；

? 置位/復(fù)位輸出使能；

? 可編程觸發(fā)沿的外部中斷—使用EXTI配置寄存器；

? 模擬輸入/輸出配置；

? 備用功能輸入/輸出配置；

? 端口鎖定配置。

對(duì)于 GD32 某些系列 MCU 的 GPIO 可能具有更多功能，如時(shí)鐘、I2C、SPI、CAN、USART、USB、ADC、DAC 等，在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)前應(yīng)查看該系列的數(shù)據(jù)手冊(cè)與用戶手冊(cè)，對(duì)比所使用的 GPIO 是否滿足需求。

2.GPIO 結(jié)構(gòu)

在 GD32 MCU 中，通常有兩種類型的 GPIO，非 5V 耐受 IO 以及 5V 耐受 IO（部分 MCU 沒(méi)有 5VT 引腳，如 GD32A503xx 系列），兩種類型的 IO 在結(jié)構(gòu)上略有區(qū)別。如圖 2-1. 標(biāo)準(zhǔn) IO基本結(jié)構(gòu)圖所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) IO 口的基本結(jié)構(gòu)圖：

圖 2-1. 標(biāo)準(zhǔn) IO 基本結(jié)構(gòu)圖

I/O pin 表示的芯片的 I/O pad，與外部電路相連接，其他部分電路都是芯片的內(nèi)部電路。其中框圖的上半部分表示 IO 的輸出部分電路，當(dāng) IO 使用其備用功能連接內(nèi)部其他外設(shè)時(shí)，也會(huì)共用相關(guān)功率輸出部分電路?？驁D的下半部分表示 IO 的輸入電路部分，作為備用功能連接內(nèi)部其他外設(shè)時(shí)，同樣也會(huì)共用輸入部分電路，如施密特觸發(fā)器。

框圖的中間部分如紅框 4 內(nèi)的電路表示模擬輸入輸出通道，模擬通道輸出時(shí)（如 DAC 輸出）不經(jīng)過(guò)功率輸出電路，輸入時(shí)也不經(jīng)過(guò)施密特輸入電路，直接將外部電路通過(guò) IO pin 與內(nèi)部的模擬外設(shè)直接連接。

紅框 3 表示的是 IO 輸出時(shí)的主要功率電路，配置相關(guān)的控制寄存器，可以控制上、下兩個(gè) MOS 管導(dǎo)通以實(shí)現(xiàn)推挽輸出或者是開(kāi)漏輸出。

紅框 2 表示 IO 口的內(nèi)部上拉或者下拉電路，通過(guò)相關(guān)寄存器的配置可以實(shí)現(xiàn)輸入口的內(nèi)部上拉或者內(nèi)部下拉，上拉/下拉電阻的阻值可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，典型值為 40kΩ，少數(shù)引腳上下拉電阻非 40 kΩ，如 GD32F425xx 的 PA10 引腳上下拉電阻為 10 kΩ，詳細(xì)數(shù)據(jù)可查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中 GPIO characteristic 章節(jié)。

紅框 1 中表示的 ESD 保護(hù)電路。

非 5VT IO 的 ESD 保護(hù)電路如圖 2-2. 非 5VT IO 引腳基本結(jié)構(gòu)圖所示，ESD 保護(hù)電路在 IO對(duì) VDD 和 VSS 分別形成兩個(gè)二極管，顯然，如果 IO 上的電壓比 VDD 的電壓大于二極管的正向?qū)▔航?，或?IO 上電壓比 VSS 電位低，且壓差大于二極管的正向?qū)妷?，則會(huì)產(chǎn)生從 IO到 VDD，或者從 VSS 到 IO 的電流。

5VT IO 的 ESD 保護(hù)電路如圖 2-3. 5VT IO 引腳基本結(jié)構(gòu)圖所示，5VT IO 引腳沒(méi)有連接到電源（VDD）的內(nèi)部保護(hù)二極管。

因此，在實(shí)際使用中若存在引腳先上電，MCU 后上電的情況，優(yōu)先選擇使用 5VT 的引腳作為與外部連接先上電引腳，避免由于引腳漏電造成 IO 引腳拉低；若必須選擇標(biāo)準(zhǔn) IO 引腳，需采用比如三極管等隔離措施，防止引腳漏電。

圖 2-2. 非 5VT IO 引腳基本結(jié)構(gòu)圖

圖 2-3. 5VT IO 引腳基本結(jié)構(gòu)圖

注意：5VT IO 與非 5VT IO 內(nèi)部結(jié)構(gòu)有部分區(qū)別。

3.典型應(yīng)用場(chǎng)景與注意事項(xiàng)

不同類型的 IO 在使用時(shí)有一些注意事項(xiàng)，接下來(lái)分別從輸入與輸出兩個(gè)角度來(lái)描繪下不同類型 IO 的典型應(yīng)用場(chǎng)景與特性以及注意事項(xiàng)。

3.1.IO 輸入

首先是 IO 口的輸入電壓范圍，輸入耐壓值表示 IO 口所能容忍的輸入電壓范圍，部分 GD32MCU 含有 5VT IO 與非 5VT IO，5VT IO 與非 5VT IO 有著不同的特性，如用戶手冊(cè)中的表 3-1.絕對(duì)最大額定值所示。

針對(duì) IO 口的輸入場(chǎng)景，我們有幾點(diǎn)需要注意：

1. 對(duì)于 5VT IO，當(dāng) VDD=0 時(shí)（即 MCU 未上電時(shí)），其引腳輸入電壓不能超過(guò) 3.6V；

2. 我們需要根據(jù) IO 口外部輸入信號(hào)的電壓值范圍來(lái)慎重選擇 5VT IO 還是非 5VT IO，如果輸入信號(hào)已經(jīng)大于 5.5V 了，就要將信號(hào)調(diào)理成適宜的范圍再送到 MCU 的 IO 口；

3. GPIO 輸入低電平判定范圍為≤0.3 VDD ，GPIO 輸入高電平判定范圍為≥0.7VDD ；

4. 根據(jù)前面描述不同類型 IO 口的典型結(jié)構(gòu)，如果非 5VT IO 上的電壓比 VDD 電壓大 0.3V 以上，則會(huì)可能使 ESD 保護(hù)電路中 IO 對(duì) VDD 的二極管導(dǎo)通造成漏電，尤其是在 MCU 未上電，而 IO 口就已經(jīng)有電平時(shí)的情景，此時(shí)，如果選擇 5VT IO 可以有效規(guī)避從 IO 向 VDD漏電的情況；典型的，如果 IO 接入的是 I2C 總線，我們就需要選擇 5VT 引腳；

5. MCU 所有的 IO 在上電完成還未進(jìn)行其他配置時(shí)，均默認(rèn)工作在浮空輸入模式，其中調(diào)試口為上拉或下拉模式，具體的上拉還是下拉請(qǐng)參照用戶手冊(cè)。因此，在一些需要產(chǎn)生固定電平的場(chǎng)景中，如果 MCU 從待機(jī)模式復(fù)位，則需要考慮這些 IO 口的默認(rèn)輸入上下拉狀態(tài)，且在程序重新配置這些 IO 的狀態(tài)之前，默認(rèn)狀態(tài)不會(huì)變化；

6. 為了獲得更低的功耗水平，尤其是在睡眠模式和深度睡眠模式中，需要將未使用的 IO 配置成模擬輸入，或者配置為浮空輸入狀態(tài)的同時(shí)外部加上下拉，或者設(shè)置為內(nèi)部上拉或下拉。需注意設(shè)置內(nèi)部上拉時(shí)，外部不可再硬件下拉，避免額外功耗，同理，內(nèi)部下拉時(shí)，外部不可硬件上拉（這里未使用的 IO 也包括在本封裝上未引出來(lái)的 IO）。對(duì)于 GD32 低功耗 MCU 產(chǎn)品，在運(yùn)行模式下，如前描述的設(shè)置也會(huì)獲得最好的功耗表現(xiàn)；

7. 5VT IO 只有在輸入模式下才可輸入最大 5.5V 電壓。當(dāng)輸出模式被啟用時(shí)，5VT IO 不再可以承受 5.5V 電壓。有關(guān) I/O 輸入電壓的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表通用操作條件表中的 VIN參數(shù)；

8. 只有在引腳上沒(méi)有啟用模擬功能時(shí)，5VT IO 才可輸入最大 5.5V 電壓。如果在 5VT IO 上啟用了一些模擬輸入功能（ADC 輸入有源，COMP 輸入，OPAMP 輸入），那么引腳上的最大工作電壓不能超過(guò) min(VDDA, VREFP) + 0.3 V。

3.2.IO 輸出

在 IO 輸出的場(chǎng)景我們也有一些要點(diǎn)需要注意，

1. 開(kāi)漏輸出電壓與輸出帶載電流有非常顯著的關(guān)系，通常 IO 在輸出高時(shí)，如果所帶負(fù)載越大，則輸出的高電平就會(huì)被往下拉的越低，同理，如果 IO 在輸出低時(shí)，流進(jìn) IO 的電流越大，則 IO 輸出的低電平就會(huì)被往上拉的越高；

2. 對(duì)于 MCU 中存在備份域的型號(hào)，其中有部分 IO 是工作在備份域電源中的，這些 IO 的帶載能力有限，建議這些 IO 的 IO speed 參數(shù)設(shè)置為最低速度（一般為 2MHz）。如 GD32F4xx系列中的 PC13、PC14、PC15、PI8 四個(gè)引腳，不同系列驅(qū)動(dòng)能力較弱的引腳不同，詳細(xì)信息可在該系列數(shù)據(jù)手冊(cè)中查詢；

3. GPIO 可通過(guò)電流與 IO 配置速度有關(guān)，目前所有 GD32 MCU IO 最大可通過(guò)電流均為 25mA（工作在備份域的引腳除外），GPIO 拉電流以及灌電流均不可超過(guò) 25 mA。當(dāng) GPIO速度配置較低時(shí)，其拉電流與灌電流能力可能達(dá)不到 25 mA；

4. 部分 GD32 MCU 包含 I/O 補(bǔ)償單元，如 E50x 系列。默認(rèn)情況下，I/O 補(bǔ)償單元是不使用的，當(dāng) I/O 端口輸出速度大于 50MHz 時(shí)，建議使用 I/O 補(bǔ)償單元對(duì) I/O 端口進(jìn)行斜率控制，從而降低 I/O 端口噪聲對(duì)工作電源的影響；

5. IO 在高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)過(guò)沖會(huì)隨著 IO 口速度增大而增大，可通過(guò)降低 IO 口速度來(lái)減少過(guò)沖；

6. GPIO 輸出的高低電平并非絕對(duì)的零或者 VDD，而會(huì)隨著 IO 配置的速度、VDD 電壓、輸出電流的大小而變化。如表 3-2. GD32F425xx GPIO DC 特性所示為 GD32F425xx GPIO 輸出高低電平隨這些變量變化的數(shù)據(jù)表。

3.3.其他注意事項(xiàng)

為了更好的提升 GD32 MCU 在一些典型應(yīng)用場(chǎng)景下的性能，在使用 GD32 MCU 的 GPIO 時(shí)還需注意以下事項(xiàng)：

1. 部分系列 GD32 MCU ADC 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) IO 引腳，需注意避免 ADC 輸入電壓超過(guò)VDD+0.3V 的情況，否則可能由于漏電造成 ADC 采樣異常；在使用 ADC 模塊時(shí)，所有ADC 引腳均不可引入負(fù)電壓，否則將導(dǎo)致 ADC 采樣不準(zhǔn)；

2. VBAT 引腳允許從外部電壓源(電池或電容)為 GD32 備份域供電。當(dāng) GD32 微控制器僅通過(guò)VBAT 引腳供電時(shí)，只有在備份域里的 GPIO 才能工作。備份域的 GPIO 驅(qū)動(dòng)能力較弱，且不同系列的備份域 GPIO 不同，可在該系列的用戶手冊(cè)中查看。對(duì)于沒(méi)有外部電池的應(yīng)用，建議將 VBAT 引腳通過(guò) 100nF 的外部陶瓷去耦電容接地后連接到 VDD 引腳上；

3. 為提高 EMC 性能以及避免浮空輸入 IO 漏電風(fēng)險(xiǎn)，未使用的 IO 口引腳建議硬件上拉或者是下拉。IO 的輸入電路可以簡(jiǎn)化為圖 3-1. IO 輸入電路簡(jiǎn)化圖，Pxx 表示 MCU 的某一個(gè)引腳。當(dāng)IO 配置為浮空輸入模式時(shí)，SW1 和 SW2 導(dǎo)通。如果 Pxx 沒(méi)有外部電壓驅(qū)動(dòng)，則 Pxx 的電壓為 VSS~VDD 之間的任意電壓值。假設(shè)圖 3-1. IO 輸入電路簡(jiǎn)化圖中 MN 的閾值電壓是VTHN，MP 的閾值電壓是 VTHP，當(dāng) Pxx 的電壓處在 VTHN~（VDD-VTHP）時(shí)，MN 和 MP 同時(shí)開(kāi)啟，VDD 到 VSS 之間可能會(huì)有非常大的漏電。

當(dāng) IO 配置為上拉模式、下拉模式或模擬模式時(shí)，MP 和 MN 不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，VDD 到 VSS之間不會(huì)有漏電。

圖 3-1. IO 輸入電路簡(jiǎn)化圖

4. 多組中同一標(biāo)號(hào) PIN 僅可配置一個(gè) IO 口為外部中斷，例：PA0、PB0、PC0 僅支持三個(gè)中的其中一個(gè) IO 口產(chǎn)生外部中斷，不支持三個(gè)同為外部中斷模式；

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