什么是GPIO？GPIO組成原理

1. 什么是GPIO？

GPIO全拼叫General Purpose Input Output（通用輸入輸出）簡(jiǎn)稱(chēng)IO口也叫總線擴(kuò)展器，GPIO口是由引腳，功能寄存器組成，不同的架構(gòu)中的GPIO封裝不同，所使用的引腳數(shù)與寄存器數(shù)不同，具體可以參考芯片手冊(cè)里的GPIO篇。

GPIO的作用是用來(lái)控制連接在此GPIO口上的外設(shè)，我們一般通過(guò)觀察原理圖找到當(dāng)前板子的GPIO口引出在哪個(gè)口上或者排針上，我們把我們的外設(shè)接到上面去就可以通過(guò)GPIO與這個(gè)外設(shè)進(jìn)行交互控制，在驅(qū)動(dòng)層我們通過(guò)讀寫(xiě)GPIO口中的功能寄存器來(lái)改變連接在此GPIO上的外設(shè)狀態(tài)。

2. GPIO組成原理

GPIO原理圖如下：

取自STM32F7系列，不同架構(gòu)的GPIO口封裝不同，這里僅用于當(dāng)前示例

從上面原理圖可以看出STM32F7系列GPIO是由三個(gè)寄存器以及“TTL肖特基觸發(fā)器、二極管、P-MOS管和N-MOS管”組成

3. GPIO工作原理

電子器件的作用：

器件名

作用

輸出數(shù)據(jù)寄存器此寄存器的值會(huì)通過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)器輸出，其中指定位用于決定使用P-MOS還是N-MOS，有些位表示輸出高低電平，如寄存器是4位的，其中0-2位代表輸出模式，第3位表示輸出電平信號(hào)，數(shù)字信號(hào)1則高電平，數(shù)字信號(hào)0則低電平P-MOSVgs(電荷)小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，利用這個(gè)特性和實(shí)現(xiàn)推挽與開(kāi)漏輸出N-MOSVgs(電荷)大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，利用這個(gè)特性和實(shí)現(xiàn)推挽與開(kāi)漏輸出保護(hù)二極管IO引腳上下兩邊兩個(gè)二極管用于防止引腳外部過(guò)高、過(guò)低的電壓輸入。當(dāng)引腳電壓高于VDD時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通；當(dāng)引腳電壓低于VSS時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀，即只有電流不高于VDD也不低于VSS時(shí)才能正常通過(guò)TTL肖特基觸發(fā)器用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)字信號(hào)0或1，當(dāng)使用模擬輸入時(shí)不會(huì)通過(guò)觸發(fā)器，模擬輸入是指不通過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換器，需要外部外接adc進(jìn)行ad采樣轉(zhuǎn)換

每個(gè)GPIO口都有一組引腳連接，并且這組引腳，如PA-PG(引腳編號(hào))連接到GPIOA中，其中有一個(gè)引腳的作用是輸出，說(shuō)的直接一點(diǎn)GPIO口是一個(gè)可編程的引腳，我們通過(guò)對(duì)GPIO口里的寄存器進(jìn)行配置，讓CPU對(duì)特定的引腳輸出高電平。

上面涉及到一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，推挽與開(kāi)漏輸出，這兩個(gè)模式是使用P-MOS與N-MOS兩個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)的

P-MOS與N-MOS的區(qū)別

P-MOS是接了VDD（正極電源），所以它擁有輸出高電流的能力，所以給P-MOS高電平就可以導(dǎo)通P-MOS管，因?yàn)榻恿穗娫淳€的原因一旦導(dǎo)通了就可以讓電源線里的工作電壓流通，而N-MOS上面接了VSS，若給高電平是無(wú)法導(dǎo)通的，因?yàn)樗鼪](méi)有接電源線是無(wú)法輸出高電平的，如果給了N-MOS高電平即便流通了因?yàn)闆](méi)有VDD電源線它也無(wú)法正常輸出電流，若給了低電平則會(huì)流向VSS接地處，所以N-MOS只能給低電平才有效，若想N-MOS驅(qū)動(dòng)可以外接上拉電阻。

所以這里輸出低電流的話輸出到N-MOS晶體管的引腳上，那么始終輸出的是接地部分，可以有效降低材料的消耗率。

這里說(shuō)一下高電平與低電平在電路里的區(qū)分：

這里以TTL電路為列，高電平>3.4V，低電平<0.2V，所以即便N-MOS沒(méi)有輸出任何電流，它也是低電平。

使用這兩個(gè)器件能夠在輸出高低電平時(shí)保證材料的消耗率降低，如果使用一個(gè)線路輸出高低電平的話會(huì)損耗會(huì)提升，N-MOS會(huì)一直接地，所以輸出端其實(shí)一點(diǎn)電流都沒(méi)有，這會(huì)極大降低消耗率。

MOS是場(chǎng)效應(yīng)管，它有兩種類(lèi)型，P溝道與M溝道，至于哪種類(lèi)型取決于MOS源接在VDD還是VSS，接在VDD就是P溝道，接在VSS就是M溝道

推挽輸出

連接在輸出控制電路里的數(shù)字器件，可以輸出高電平與低電平，輸出數(shù)字信號(hào)0時(shí)N-MOS導(dǎo)通，P-MOS高阻，輸出數(shù)字信號(hào)1時(shí)P-MOS導(dǎo)通，N-MOS高阻抗

開(kāi)漏輸出

只能輸出低電平，輸出數(shù)字0時(shí)N-MOS導(dǎo)通，P-MOS高阻，無(wú)法輸出高電平，若需要輸出高電平需要在N-MOS晶體管后的引腳上接一個(gè)上拉電阻，將所有不確定的信號(hào)變成高電平，它只能從N-MOS這條線路上流過(guò)，所以就導(dǎo)致了它不能輸出高電平

輸出電路會(huì)獲取輸出數(shù)據(jù)寄存器里當(dāng)前的模式位是什么，如推挽或開(kāi)漏，若推挽則用電路比較器進(jìn)行電流比較來(lái)確定輸出到P-MOS還是N-MOS，若是開(kāi)漏模式則根據(jù)N-MOS導(dǎo)通特性以及當(dāng)前數(shù)字信號(hào)的值0/1，來(lái)輸出對(duì)應(yīng)的電流導(dǎo)通，同時(shí)電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱(chēng)的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。

開(kāi)漏負(fù)載能力較強(qiáng)，因?yàn)橛猩侠娮?，所以一般長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)備會(huì)用開(kāi)漏輸出

審核編輯：黃飛