【STM32 |GPIO】GPIO结构、GPIO输出

GPIO简介

GPIO的基本结构

GPIO位结构（每一位的具体电路结构）

输入

上拉和下拉电阻

斯密特触发器

编辑

输出

GPIO模式

编辑

浮空输入、上拉输入、下拉输入

模拟输入

开漏输出和推挽输出

复用开漏输出和复用推挽输出

LED和蜂鸣器介绍

LED和蜂鸣器的硬件电路

LED

蜂鸣器

GPIO简介

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口

可配置为8种输入输出模式

引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V

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

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

GPIO的基本结构

左边的是APB2外设总线；在stm32中所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的，其中GPIO外设的名称都是按照GPIOA、GPIOB等等这样来命名的

每个GPIO外设，总共有16个引脚，编号是从0到15，GPIO的第0号引脚，我们一般把它称为PA0，接着第一号就是PA1..PA15以此来命名；

STM32是32位单片机，所以STM32内部的寄存器都是32位的，但这个端口只有16位，所以这个寄存器只有低16位对应的有端口，高16位是没有用的

在每个GPIO模块内，组要包含了寄存器和驱动器，寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，这样就可以完成输出电平和读取电平的功能了，寄存器的每一位对应一个引脚，其中，输出寄存器写1，对应的引脚就会输出高电平，写0就会输出低电平，输入寄存器读取为1，就证明对应的端口目前是高电平，读取为0，就是低电平；

驱动器是用来增加信号的驱动能力，寄存器只负责存储数据

GPIO位结构（每一位的具体电路结构）

如下图为，stm32参考手册中的GPIO位结构的电路图。

左边三个就是寄存器，中间部分是驱动器，右边是某一个IO口的引脚，如下三个红圈里的内容

整体结构可以分为两个部分，上面是输入部分，下面是输出部分。

输入

首先是这个IO引脚，这里接了两个保护二极管，这个是对输入电压进行限幅的

上面二极管接VDD，3.3V，下面二极管接VSS，0V；

如果输入电压比3.3v还要高，那上方这个二极管就会导通，输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样就可以避免过高的电压对内部电路产生伤害,
输入电压比0v还要低，这个电压是相对与VSS的电压，所以是可以有负电压的，那这时下方这个二极管就会导通，电流会从VSS直接流出来，电流会从VSS直接流出去，而不会从内部电路汲取电流，也是可以保护内部电路的
输入电压在0-3.3v之间，那两个保护二极管均不会导通，这时二极管对电路没有影响，这就是保护二极管的用途

上拉和下拉电阻

上拉和下拉的作用是为了给输入提供一个默认的输入电平，因为对应一个数字的端口，输入不是高电平就是低电平；如果输入引脚哈都不接，这时输入就会处于一个浮空状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变；为了避免引脚悬空导致的输入数据不稳定

上拉电阻至VDD，下拉电阻至VSS，这个开关是可以通过程序进行配置的。

上面导通、下面断开，就是上拉输入模式；上面断开、下面导通，就是下拉输入模式；上面断开、下面断开，就是浮空输入模式。

如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入是默认为高电平的输入模式，下拉也是同理。

上拉电阻和下拉电阻的阻值都是比较大的，是一种弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作。

斯密特触发器

是对输入电压进行整形，输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平，如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平。

有效的避免因信号波动造成的输出抖动现象。

面还有两路线路，是连接到片上外设的一些端口；其中一个是模拟输入，这个可以连接到ADC上，因为ADC需要接受模拟量，所以这根线是接到施密特触发器前面的，另一个是复用功能输入，这个是连接到其他需要读取端口的外设上的（比如，串口的输入引脚等），这根线接受的是数字量，所以在施密特触发器后面

输出

输出部分由输出数据寄存器或片上外设控制，两种控制方式通过这个数据选择器接到输出控制部分；如果选择通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO口输出，写这个输出数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口了。左边还有个叫做位设置/清除寄存器，这个可以用来单独操作输出寄存器的某一位，而不影响其它位

数据选择器

输出控制之后就接到了两个MOS管，上面是P-MOS，下面是N-MOS，这个MOS管就是一种电子开关，我们的信号来来控制开关的导通和关闭

在推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效，这种模式下，高低电平均有较强的驱动能，所以推挽输出模式也可以叫强推输出模式，在推挽输出模式下，stm32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都由stm32说的算

数据寄存器为1时。上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，就是输出高电平

数据寄存器为0时。上管断开，下管导通，输出直接接到VSS，就是输出低电平。

在开漏输出模式下，这个P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作

数据寄存器为1时。下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻模式

数据寄存器为0时。下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平

关闭状态输出方式

这个是当引脚配置为输入模式的时候，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制。

GPIO模式

浮空输入、上拉输入、下拉输入

这三个模式的电路结构基本是一样的，区别就是上拉电阻和下拉电阻的连接，它们都属于数字的输入口，特征就是，都可以读取端口的高低电平；当使用浮空输入时，端口一定要接上一个连续的驱动源，不能出现悬空状态。

在输入模式下，输出驱动器是断开的，端口只能输入而不能输出；上面这两个电阻可以选择位上拉工作、下拉工作或者都不工作，对应的就是上拉输入、下拉输入和浮空输入，然后输入通过施密特触发器进行波形整形后，连接到输入数据寄存器，另外这个输入保护这里写的是VDD或VDD_FT（这就是3.3v端口和容忍5v端口（它的上面保护二极管要做一下处理，要不然直接接VDD3.3v的话，外部再接入5v电压就会导致上边二极管开启，并且产生比较大的电流，这个是不太妥当的）的区别）