详解GPIO工作原理和八种模式

一路上

前言

字面意思看，GPIO=General Purpose Input Output，通用输入输出；有时候简称为“IO口”。通用，就是说它是万金油，干什么都行；输入输出，就是说既能当输入口使用，又能当输出口使用，常用的有8种输入输出模式。

一、工程目录下面的组以及重要文件

1.Source Group 1放的是启动文件，STM32F10x.s用于初始化芯片的各种寄存器和外设，以及设置堆栈和中断向量表。

2.组USER下面存放的主要是用户代码。test.c函数主要存放的是主函数了。

3.组SYSTEM是共用代码，包含Systick延时函数，IO口位带操作以及串口相关函数。

4.组HARDWARE下面存放的是外设驱动代码，他的实现是通过调用FWLib下面的固件库文件实现的，比如led.c 里面调用 stm32f10x_gpio.c 里面的函数对 led 进行初始化。

5.组README是添加了README.TXT说明文件，对实验操作进行相关说明。

这些组之间的层次结构，芯片初始化内容请看 STM32F10x启动文件详解 。

从层次图中可以看出，用户代码和 HARDWARE 下面的外设驱动代码再不需要直接操作寄存器，而是直接或间接操作官方提供的固件库函数。

GPIO功能描述：在固件库中，GPIO 端口操作对应的库函数函数以及相关定义在文件 stm32f10x_gpio.h 和 stm32f10x_gpio.c 中

二、单片机GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。

GPIO结构里面的三个重要组成部分：

上拉以及下拉电阻（pull-up and pull-down resistors）：上下拉电阻的作用就是将浮空管脚拉到一个固定的状态（0或者1），上拉电阻将浮空管脚上拉至VDD，下拉电阻将浮空管脚下拉至GND。

施密特触发器（Schmitt trigger ）：信号经过施密特触发器之后，模拟信号转换为数字信号0和1。

PMOS和NMOS（p-mos and n-mos transistors 决定了电路工作在开漏输出模式或者是推挽输出模式）。

这电路图中看到有 “FT” 一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的；如果没有标注 “FT” ，就代表着不兼容5V。

三、单片机GPIO工作方式

GPIO支持4种输入模式（浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入）和4种输出模式（开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出）。

每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字被访问。

（GPIO_Mode_AIN 模拟输入、GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入、GPIO_Mode_IPD 下拉输入、GPIO_Mode_IPU 上拉输入、GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出、GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出、GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出、GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出）

模式名称	性质	特征
浮空输入	数字输入	可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定
上拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平
下拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平
模拟输入	模拟输入	GPIO无效，引脚直接接入内部ADC
开漏输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接VSS
推挽输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS
复用开漏输出	数字输出	由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS
复用推挽输出	数字输出	由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS

下面是这八种工作方式：

浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入模式

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。

下拉输入模式

下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。

模拟输入模式

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。

开漏输出模式

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。

注意 N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。

同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。

开漏复用输出模式

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似；只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

推挽输出模式

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。

注意 P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。

同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

推挽复用输出模式

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似；只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

总结与分析

1.推挽结构和推挽电路

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止，高低电平由输出电平决定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。

电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。

输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流；推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

2.开漏输出和推挽输出

开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高；输出端相当于三极管的集电极。

适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)；推挽输出：可以输出强高、低电平，连接数字器件。

更多开漏和推挽详细内容请看：详解IO口开漏与推挽输出

3.选择I/O模式

• 浮空输入_IN_FLOATING：浮空输入，可以做KEY识别，RX1。
• 带上拉输入_IPU：IO内部上拉电阻输入。
• 带下拉输入_IPD：IO内部下拉电阻输入。
• 模拟输入_AIN：应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电。
• 开漏输出_OUT_OD：IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化。
• 推挽输出_OUT_PP：IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的。
• 复用功能的推挽输出_AF_PP：片内外设功能（I2C的SCL、SDA）。
• 复用功能的开漏输出_AF_OD：片内外设功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）。
  

更多IO实用电路请看：非常实用一键开关机电路设计