STM32 GPIO的工作模式

一、前言

在之前圍繞STM32的GPIO的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，圖1為STM32的5V容忍的GPIO口內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖，圖2為GPIO的基本結(jié)構(gòu)中各個(gè)模塊部分的概述。

閱讀GPIO基本結(jié)構(gòu)的內(nèi)容能夠?qū)PIO的工作模式有更深的了解。 正是由于GPIO的結(jié)構(gòu)中包含了多樣性的電路和模塊，因此進(jìn)行合理的配置組合，就可以使得GPIO應(yīng)用在不同的工作模式下進(jìn)行工作。

圖1 STM32的5V容忍的GPIO內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)

圖2 GPIO基本結(jié)構(gòu)包含的功能概述

二、工作模式概述

圖3為STM32的GPIO工作模式概述圖，從圖中可以看出，GPIO端口的靜態(tài)特征就是指芯片可供你選擇的該GPIO的配置，只有通過對(duì)使用的GPIO端口進(jìn)行合理的配置，那么才可以讓GPIO處于某一種工作模式下實(shí)現(xiàn)合理的動(dòng)態(tài)工作運(yùn)行。

下一節(jié)我們就結(jié)合GPIO的基本結(jié)構(gòu)來對(duì)不同工作模式下端口的特征及運(yùn)行方式進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖3 GPIO工作模式概述

三、工作模式詳述

接下來就對(duì)STM32的GPIO總共8種工作模式進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的介紹。

（1）、普通IO推挽輸出

圖4是普通IO推挽輸出。 普通IO口推挽輸出就是，對(duì)輸出數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行置0或置1操作，然后通過輸出控制緩沖器對(duì)雙MOS電路進(jìn)行控制。 IO電平輸出的雙MOS電路通路同時(shí)由PMOS和NMOS組成，當(dāng)輸出控制端輸出為1時(shí)，上方PMOS導(dǎo)通，下方NMOS截止，電流方向?yàn)閂DD->PMOS->輸出端，對(duì)外部引腳輸出高電平； 當(dāng)輸出控制端輸出為0時(shí)，上方PMOS截止，下方NMOS導(dǎo)通， 電流方向?yàn)閂SS->NMOS->輸出端，對(duì)外輸出低電平。 此時(shí)對(duì)輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問可得到I/O狀態(tài)。

GPIO配置成輸出模式時(shí)，可使用上拉、下拉或懸空模式。 但此時(shí)由于輸出模式時(shí)引腳電平連接到輸出數(shù)據(jù)寄存器，而輸出數(shù)據(jù)寄存器對(duì)應(yīng)引腳的位為0，即引腳初始化后默認(rèn)輸出低電平，所以在這種情況下，上拉只能起到小幅提高輸出電流能力，但不會(huì)影響引腳的默認(rèn)狀態(tài)。

圖4 普通IO推挽輸出

（2）、普通IO開漏輸出

圖5是普通IO開漏輸出。 普通IO開漏輸出，就是在輸出控制時(shí)，不使用雙MOS電路中的PMOS，因此無法輸出高電平，只有在輸出低電平時(shí)，NMOS生效。 開漏輸出時(shí)，只有NMOS工作，這樣輸出數(shù)據(jù)寄存器可控制I/O輸出高阻態(tài)或低電平。 如果要輸出高電平，則需要在芯片內(nèi)部配置上拉電阻（弱上拉）或者在芯片IO外部連接上拉電阻。 此時(shí)對(duì)輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問可得到I/O狀態(tài)。

使用開漏輸出時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）提高IO驅(qū)動(dòng)能力。 MCU的IO口對(duì)外驅(qū)動(dòng)的能力很小，即使使用芯片內(nèi)部的上拉電阻，由于內(nèi)部上拉阻值很大，驅(qū)動(dòng)能力也有限。 因此使用開漏輸出時(shí)，可以在IO口外部連接上拉電阻，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流芯片由外部上拉電阻電源提供，這樣提高驅(qū)動(dòng)和帶負(fù)載能力。

2）電平轉(zhuǎn)換。 如MCU只能對(duì)外輸出3.3v，但由于GPIO管腳是5v容忍的，輸出高電平可以通過外部電源提供，外部電源如果是5v。 此時(shí)可以對(duì)外輸出5v。

3）線與。 多個(gè)開漏的引腳可以直接并在一起使用，統(tǒng)一接一個(gè)合適的上拉電阻，就可以實(shí)現(xiàn)“邏輯與”關(guān)系，即當(dāng)所有引腳均輸出高電平時(shí)，輸出才為高電平，若任一引腳輸出低電平，則輸出低電平。

圖5 普通IO開漏輸出

（3）、復(fù)用功能推挽輸出

圖6是復(fù)用功能推挽輸出。 GPIO不僅僅可以用作普通的 IO 口輸出，還可以作為芯片上其他外設(shè)的特殊功能引腳，有些引腳可能可以用作多種不同功能，這種就叫做GPIO的復(fù)用，具體用作哪種功能，需要根據(jù)使用進(jìn)行相應(yīng)的配置。 使用成復(fù)用功能時(shí)，GPIO就不會(huì)經(jīng)過輸出數(shù)據(jù)寄存器輸出，而是直接通過芯片上的具體外設(shè)功能電路輸出到輸出控制緩沖器。 此時(shí)通過讀輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實(shí)際狀態(tài)，但一般直接用外設(shè)的寄存器來獲取該數(shù)據(jù)信號(hào)。

使用GPIO復(fù)用功能時(shí)，當(dāng)配置成推挽輸出，這樣片上外設(shè)就可以輸出高電平或者低電平，例如將GPIO配置成串口USART輸出TXD管腳。

需要注意的是，如果需要實(shí)現(xiàn)DAC模擬輸出，那么也需要將管腳配置成復(fù)用功能，但是此時(shí)作為“模擬輸出”功能，DAC的模擬信號(hào)輸出就不經(jīng)過雙MOS管結(jié)構(gòu)了，在GPIO結(jié)構(gòu)框圖的右下角處，模擬信號(hào)直接輸出到引腳。

用于復(fù)用功能時(shí)，可使用上拉、下拉或者浮空模式。 在這種情況下，初始化后引腳默認(rèn)輸出低電平，上拉只起到小幅提高輸出電流能力，并不會(huì)影響引腳的默認(rèn)狀態(tài)。

圖6 復(fù)用功能推挽輸出

（4）、復(fù)用功能開漏輸出

圖7是復(fù)用功能開漏輸出。 復(fù)用功能開漏輸出時(shí)，GPIO就不會(huì)經(jīng)過輸出數(shù)據(jù)寄存器輸出，而是直接通過芯片上的具體外設(shè)功能電路輸出到輸出控制緩沖器。 此時(shí)通過讀輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實(shí)際狀態(tài)，但一般直接用外設(shè)的寄存器來獲取該數(shù)據(jù)信號(hào)。

復(fù)用開漏輸出的功能和普通IO開漏輸出功能一致，因此GPIO用作復(fù)用功能管腳如果要輸出高電平，則需要在芯片內(nèi)部配置上拉電阻（弱上拉）或者在芯片IO外部連接上拉電阻。 例如將GPIO配置成I2C信號(hào)線的時(shí)鐘管腳SCL和數(shù)據(jù)管腳SDA。

圖7 復(fù)用功能開漏輸出

（5）、帶上拉輸入

圖8為GPIO帶上拉電阻輸入，需要將端口配置為獨(dú)立的上拉電阻。 可以看到，輸入路徑經(jīng)過施密特觸發(fā)器后，當(dāng)端口配置為普通IO輸入時(shí)，該輸入路徑進(jìn)入到輸入數(shù)據(jù)寄存器，因此就可以通過輸入數(shù)據(jù)寄存器讀取IO口的電平狀態(tài)，例如將IO口連接按鍵，讀取外部按鍵的電平狀態(tài)； 當(dāng)端口配置成復(fù)用功能時(shí)，輸入路徑會(huì)直接連接到芯片上具體的外設(shè)中去，例如將端口配置成串口USART，那么該IO口就是串口的接收RXD管腳。

輸入上拉模式下，GPIO端口懸空無輸入信號(hào)時(shí)，輸入端的電平可以默認(rèn)保持在高電平； 而當(dāng)輸入信號(hào)低電平時(shí)，IO口讀取的電平就是低電平； 當(dāng)輸入信號(hào)高電平時(shí)，IO口讀取的電平自然就是高電平。

圖8 GPIO帶上拉輸入

（6）、帶下拉輸入

圖9為GPIO帶下拉電阻輸入，需要將端口配置為獨(dú)立的下拉電阻。 可以看到，輸入路徑經(jīng)過施密特觸發(fā)器后，當(dāng)端口配置為普通IO輸入時(shí)，該輸入路徑進(jìn)入到輸入數(shù)據(jù)寄存器，因此就可以通過輸入數(shù)據(jù)寄存器讀取IO口的電平狀態(tài)，例如將IO口連接按鍵，讀取外部按鍵的電平狀態(tài)； 當(dāng)端口配置成復(fù)用功能時(shí)，輸入路徑會(huì)直接連接到芯片上具體的外設(shè)中去，例如將端口配置成串口USART，那么該IO口就是串口的接收RXD管腳。

輸入下拉模式下，GPIO端口懸空無輸入信號(hào)時(shí)，輸入端的電平可以默認(rèn)保持在低電平； 而當(dāng)輸入信號(hào)高電平時(shí)，IO口讀取的電平就是高電平； 當(dāng)輸入信號(hào)低電平時(shí)，IO口讀取的電平自然就是低電平。

圖9 GPIO帶下拉輸入

（7）、浮空輸入

圖10為GPIO浮空輸入。 輸入浮空模式下，指的是該IO口既不配置接上拉電阻也不配置接下拉電阻。 如果該引腳懸空的情況無信號(hào)輸入時(shí)，該端口的電平是不確定的。 當(dāng)有電平信號(hào)進(jìn)入IO時(shí)，IO電平狀態(tài)是完全由外部輸入決定，MCU復(fù)位上電后，默認(rèn)為浮空輸入模式。

圖10 GPIO浮空輸入

（8）、模擬輸入

圖11為GPIO模擬輸入。 當(dāng) STM32需要進(jìn)行 AD( 模數(shù) ) 轉(zhuǎn)換采樣時(shí)，需要把引腳設(shè)置為模擬輸入模式，模擬輸入模式下，不需要連接上拉和下拉電阻，因?yàn)镚PIO用于模擬功能時(shí)，引腳的上、下拉電阻是不起作用的。 這個(gè)時(shí)候即使在配置了上拉或下拉電阻，也不會(huì)影響到模擬信號(hào)的輸入。

同時(shí)輸入信號(hào)不再經(jīng)過TTL施密特觸發(fā)器，可將外部電壓信號(hào)直接輸入到內(nèi)部的ADC 外設(shè)中去。 因?yàn)榻?jīng)過施密特觸發(fā)器后信號(hào)只有0、1兩種狀態(tài)，所以ADC外設(shè)要采集到原始的、連續(xù)變化的模擬信號(hào)，信號(hào)源輸入必須在施密特觸發(fā)器之前。

需要注意到的是，由于模擬輸入不接上下拉電阻，也不經(jīng)過輸入的TTL施密特觸發(fā)器，同時(shí)不像輸出功能需要經(jīng)過輸出控制緩沖器，因此在芯片上少連接了很多器件，當(dāng)芯片有不用的管腳時(shí)，可以考慮配置成模擬輸入以節(jié)省功耗。

圖11 模擬輸入

四、總結(jié)

本篇在STM32的GPIO的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)GPIO的各種工作模式進(jìn)行介紹，為GPIO選擇不同的模式配置就可以讓GPIO在實(shí)際使用運(yùn)行過程中扮演不同的角色，在下一篇將繼續(xù)介紹GPIO基礎(chǔ)知識(shí)篇之寄存器原理。