一、前言

GPIO全稱General Purpose Input Output 即通用輸入/輸出，其實(shí)GPIO的本質(zhì)就是芯片的一個(gè)引腳，通常在ARM中所有的I/O都是通用的。不過(guò)由于每個(gè)開發(fā)板上都會(huì)設(shè)計(jì)不同的外圍電路，這就造成GPIO的功能可能有所不同，大部分GPIO都是有復(fù)用功能的，比如有些GPIO可能是串口的TX或RX，也可能是I2C的SCL或SDA線。

所以我們不僅要知道GPIO能夠輸出高低電平，還要理解為什么有些GPIO可以復(fù)用某些功能，而其他的不可以。

二、GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)

我們?cè)谑褂肎PIO的時(shí)候可能不會(huì)去想為什么我們通過(guò)寫代碼或者操作寄存器就可以控制一個(gè)引腳的高低電平。

今天就讓我們一起來(lái)看看為什么我們通過(guò)操作寄存器（其實(shí)寫代碼的過(guò)程就是在操作寄存器）就能控制引腳輸入或者輸出。

我們想要想控制一個(gè)GPIO口的需要操作7個(gè)寄存器，分別是CRL，CRH，IDR，ODR，BRR，BSRR，LCKR 我們對(duì)GPIO的操作本質(zhì)上就是在對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫操作，以下是這些寄存器的名稱：

GPIOx_CRL(x = A..E)端口配置低寄存器 32位寄存器
GPIOx_CRH(x = A..E)端口配置高寄存器 32位寄存器
GPIOx_IDR(x = A..E)端口輸入數(shù)據(jù)寄存器 32位寄存器但僅用低16位
GPIOx_ODR(x = A..E)端口輸出數(shù)據(jù)寄存器 32位寄存器但僅用低16位
GPIOx_BRR(x = A..E)端口位清除寄存器 16位寄存器
GPIOx_BSRR(x = A..E)端口位設(shè)置/清除寄存器 16位寄存器
GPIOx_LCKR(x = A..E)端口配置鎖定寄存器 32位寄存器

我們首先分析上面的結(jié)構(gòu)電路：

1、保護(hù)二極管： 保護(hù)二極管從它的名字就不難想到他是用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的，通過(guò)兩個(gè)二極管的導(dǎo)通可以防止引腳外部輸入電壓過(guò)低或過(guò)高。當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，上方的保護(hù)二極管導(dǎo)通。當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓導(dǎo)入到芯片內(nèi)部造成芯片燒毀。

2、P·MOS管和N·MOS管： GPIO經(jīng)過(guò)兩個(gè)二極管的保護(hù)后向上流入輸入模式，向下流入輸出模式，而輸出模式的控制是由一個(gè)由P·MOS管和N·MOS管組成的單元電路，該電路主要是控制輸出的模式，由該結(jié)構(gòu)狗策劃給你的單元電路具有推挽輸出和開漏輸出兩種模式。

當(dāng)系統(tǒng)配置為推挽輸出模式時(shí)：

• 若向該結(jié)構(gòu)中輸入高電平，經(jīng)過(guò)反向后，上方的P-MOS導(dǎo)通，下方的N-MOS關(guān)閉，對(duì)外輸出高電平；
• 若向該結(jié)構(gòu)中輸入低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)反向后，下方的N-MOS管導(dǎo)通，上方的P-MOS關(guān)閉，對(duì)外輸出低電平。
• 當(dāng)引腳高低電平切換時(shí)，兩個(gè)MOS管輪流導(dǎo)通，P管負(fù)責(zé)灌電流，N管負(fù)責(zé)拉電流，使其負(fù)載能力和開關(guān)速度都比普通的方式有很大的提高。 推挽輸出的低電平為0V，高電平為3.3V 。

當(dāng)系統(tǒng)配置為開漏輸出模式時(shí)：

• 上方的P-MOS管完全不工作；
• 如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管關(guān)閉，N-MOS管導(dǎo)通，使輸出接地；
• 若控制輸出為1（它無(wú)法直接輸出高電平）時(shí)，則P-MOS管和N-MOS管都關(guān)閉，所以 開漏輸出模式下引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態(tài) 。

推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為0和3.3V而且需要 高速切換開關(guān)狀態(tài)的場(chǎng)合 。開漏輸出模式一般應(yīng)用在I2C、SMBUS通信等需要 線與功能的總線電路中 。

在單片機(jī)中除了必須用開漏模式的場(chǎng)合，一般習(xí)慣使用推挽輸出模式

3、輸出數(shù)據(jù)寄存器 ：前面我們知道雙了MOS管結(jié)構(gòu)電路的輸入信號(hào)，是由GPIO輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR提供的，因此我們可以通過(guò)修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，就可以修改GPIO引腳的輸出電平。而置位/復(fù)位寄存器GPIOx_BSRR可以通過(guò)修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值，從而影響電路的輸出。

4、復(fù)用功能輸出 ：復(fù)用功能輸出中的復(fù)用是指STM32的其他片上外設(shè)對(duì)GPIO引腳進(jìn)行控制，此時(shí)GPIO引腳用作該外設(shè)功能的一部分，算是第二用途。從其他外設(shè)引出來(lái)的復(fù)用功能輸出信號(hào)與GPIO本身的數(shù)據(jù)寄存器都連接到雙MOS管結(jié)構(gòu)的輸入中。

三、輸入輸出模式

GPIO共有8中輸入輸出模式，分別是：上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬輸入、開漏輸出、推挽輸出、開漏復(fù)用輸出、推挽復(fù)用輸出 ，下面我們?cè)敿?xì)介紹以下上面的八種輸入輸出模式。

• 上拉輸入： GPIO_Mode_IPU
• 下拉輸入： GPIO_Mode_IPD
• 浮空輸入： GPIO_Mode_IN_FLOATING
• 模擬輸入： GPIO_Mode_AIN
• 開漏輸出： GPIO_Mode_Out_OD
• 推挽輸出： GPIO_Mode_Out_PP
• 開漏復(fù)用： GPIO_Mode_AF_OD
• 推完復(fù)用： GPIO_Mode_AF_PP

這里詳細(xì)講一下幾個(gè)常用的模式：

3.1 浮空輸入

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說(shuō)，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無(wú)信號(hào)輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的，通常用于IIC、USART等總線設(shè)備上。

3.2 上拉輸入模式

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無(wú)信號(hào)輸入）的情況下，輸入端的電平保持在高電平（并且在I/O端口輸入為低電平的時(shí)候，輸入端的電平也是低電平）

3.3 下拉輸入模式

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。但是在I/O端口懸空（在無(wú)信號(hào)輸入）的情況下，輸入端的電平保持在低電平；并且在I/O端口輸入為高電平的時(shí)候，輸入端的電平也是高電平。

3.4 模擬輸入模式

模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號(hào)（電壓信號(hào)，而非電平信號(hào)）直接模擬輸入到片上外設(shè)模塊，比如ADC模塊等。

3.5 開漏輸出模式

見上面二中的詳細(xì)介紹；

3.6 開漏復(fù)用輸出模式

開漏復(fù)用輸出模式，與開漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來(lái)源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，取而代之利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來(lái)決定的，一般用于片內(nèi)外設(shè)功能：TX1，MOSI，MISO，SCK，SS

3.7 推挽輸出模式

見上面二中的詳細(xì)介紹；

3.8 推挽復(fù)用輸出模式

推挽復(fù)用輸出模式，與推挽輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來(lái)源，不是讓CPU直接寫輸出數(shù)據(jù)寄存器，而是利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來(lái)決定的，常見采用推挽輸出模式的一般為片內(nèi)外設(shè)功能IIC的SCL、SDL。

四、開漏輸出和推挽輸出的區(qū)別

開漏輸出和推挽輸出模式的區(qū)別主要是開漏輸出 只可以輸出強(qiáng)低電平，高電平得靠外部電阻拉高 。輸出端相當(dāng)于三極管的集電極，適合于做電流型的驅(qū)動(dòng)，其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20ma以內(nèi))；推挽輸出 可以輸出強(qiáng)高、低電平 ，連接數(shù)字器件。

五、STM32中GPIO的配置

在固件庫(kù)開發(fā)中，操作寄存器 CRH 和 CRL 來(lái)配置 IO 口的模式和速度是通過(guò) GPIO 初始化函數(shù)完成：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)；
/*第一個(gè)參數(shù)是用來(lái)指定 GPIO，取值范圍為 GPIOA~GPIOG。
 *第二個(gè)參數(shù)為初始化參數(shù)結(jié)構(gòu)體指針，結(jié)構(gòu)體類型為 GPIO_InitTypeDef
 */

初始化 GPIO 的常用格式是：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //LED0-- PB.5 端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//速度 50MHz

GPIO_Init(GPIOB, GPIO_InitStructure);//根據(jù)設(shè)定參數(shù)配置 GPIO

IO 口速度設(shè)置有三個(gè)可選值：

typedef enum

{

GPIO_Speed_10MHz,

GPIO_Speed_2MHz,

GPIO_Speed_50MHz

}GPIOSpeed_TypeDef;

模式則有8個(gè)可選定義如下：

typedef enum

{ GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模擬輸入

GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空輸入

GPIO_Mode_IPD = 0x28, //下拉輸入

GPIO_Mode_IPU = 0x48, //上拉輸入

GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //開漏輸出

GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //通用推挽輸出

GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //復(fù)用開漏輸出

GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //復(fù)用推挽

}GPIOMode_TypeDef;

六、總結(jié)

本文主要介紹了GPIO的定義和GPIO不同模式間的區(qū)別與實(shí)現(xiàn)方式，觀看完本文相信你對(duì)于GPIO會(huì)有一個(gè)更深的理解，我們?nèi)绻亲鲕浖目梢圆挥锰P(guān)注于GPIO是如何實(shí)現(xiàn)的，但是我們需要知道每個(gè)模式下GPIO的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，只有這樣我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中才能更好的配置出最合適的那個(gè)。