GPIO基本原理

news2025/2/2 15:25:16

名词解释

高低电平：GPIO引脚电平范围：0V~3.3V（部分引脚可容忍5V）数据0就是0V，代表低电平；数据1就是3.3V，代表高电平；

STM32是32位的单片机，所以内部寄存器也都是32位的（这里联想到32位机器操作64位数据，比如int64/double数据，需要2个寄存器保存一个数据，计算效率很低）；

简介

GPIO在输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等；

GPIO在输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等（最常见的读取按键）；

基本结构

STM32中，所有的GPIO都是挂载在APB2总线上的，命名规则以GPIOA、GPIOB等；每个GPIO外设有16个引脚，编号0~15，一般称为PA0~PA15或PB0~PB15；

这里GPIOA中有一个寄存器，对应的只有16个引脚，所以这个寄存器只有低16位对应的有端口，高16位是没有用到的；

驱动器是用来增加信号的驱动能力的，寄存器只负责存储数据，比如说要实现点灯能力的时候，还是需要驱动器增大驱动能力的；

位结构电路图

输入模块

左边三个寄存器，中间是驱动器，右边是某一个I/O的引脚；整体可以分为两个部分，上面是输入部分，下面是输出部分；

保护二极管是对输入电压进行限幅的，VDD-3.3V、VSS-0V，如果I/O引脚的输入电压大于3.3V，那么上方的保护二极管就会导通，输入电压产生的电流会直接流入VDD，不会流入内部电路；如果输入电压小于0V，下方的二极管就会导通，电流会从VSS流向I/O引脚，防止内部电流汲取电流，保护电路；

上拉电阻和下拉电阻开关，这个是可以通过程序配置的：上面导通、下面断开就是上拉输入，上面断开、下面导通就是下拉输入模式，两个都断开就是浮空输入模式；

上拉和下拉是为了给输入提供一个默认的电平，如果输入引脚什么都不接，那么就不知道这个时候是算高电平还是低电平，就处于了浮空状态，受到一点扰动就会变化；上拉输入：默认高电平的输入方式，下拉输入：默认低电平的输入方式；

施密特触发器：对输入电压进行转换，当输入的电压大于某个阈值时，输出会瞬间升为高电平，当输入电压小于某个阈值时，输出会瞬间降为低电平；只有在输入高于上限或者低于下限的时候，输出电平才会变化（输入信号可能会失真，波形不稳定）经过施密特触发器整型的波形就可以直接写入输入数据寄存器了，用程序读取寄存器某一个位的数据，就知道对应端口的输入电平了；

输出模块

通过程序对输出数据寄存器写入数据，就能操控对应断开的高低电平；

有三种方式，一种是读取输出寄存器里的数据，通过位运算的方式改变某一位的值，改变对应端口的高低电平，这效率比较低，对于IO操作不太合适；第二种方式就是使用位设置/清楚寄存器，在位设置寄存器的某一位写1，其他位写0，内部电路就会自动将输出寄存器中对应位置1，其他写0的位保持原数据不变；如果想清0某一位，就对改位写0，其他位写1；第三种方式。。。

推挽输出模式下输出控制根据输出寄存器中的数据，控制P-MOS/N-MOS的断开，输出高电平或者低电平，这种模式下输出由STM32强控制；

开漏输出模式下P-MOS完全断开，只有N-MOS能控制，数据位为1时，N-MOS断开，输出为高阻模式，是高电平，数据位为0是，N-MOS接通，接入VSS低电平，输出为低电平；这种模式下只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的（I2C用的就是开漏输出模式，多机通信的情况下，可以避免各个设备之间的干扰）；

关闭输出模式下只有输入，没有输出；