STM32F103 实例应用（3.1）——GPIO(增加深度)

Posted 2022-02-28 青梅煮久

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一、GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控的引脚。将STM32芯片的GPIO引脚与外设部分连接起来，即可实现与外部通信、控制以及数据采集功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组16个引脚，如型号STM32F103VET6的芯片有GPIOA至GPIOE共5组GPIO。芯片一共100个引脚，其中GPIO就占了很大一部分，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。
最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入LED灯，就可以控制等的亮灭；引脚接入继电器或者三极管，就可以通过继电器或者三极管控制外部大功率电路的通断。
最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把GPIO引脚连接到按键，然后通过电平高低区分按键是否按下。

二、GPIO框图剖析

通过GPIO硬件结构框图，就可以从整体上深入了解GPIO外设及它的各种应用模式，见下图。从最右端看起，最右端就是代表STM32芯片引出的GPIO引脚，其余部件（左边）都位于芯片内部。

2.1 基本结构分析

下面我们对上图中的GPIO端口的结构部件进行说明。

2.1.1 保护二极管

引脚的两个保护二极管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入（二极管的单向导电性），当引脚电压高于V_DD时,上方的二极管导通（相当于IO引脚处是正极，V_DD是负极，由于二极管单向导电，上方二极管导通），当引脚电压低于V_SS时，下方二极管导通，防止不正常的电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管由这样的保护，并不意味着STM32的引脚能直接外接大功率驱动期间==器件，如直接驱动电机，要么电机不转，要么板子冒烟，必须加大功率及隔离电路驱动。

2.1.2 P-MOS 管和 N-MOS 管

GPIO引脚线路经过2个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。
所谓推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时（左边芯片内部给了高电平要向外输出），经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个MOS管轮流导通，P管负责推电流，N管负责挽电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大提高。推挽输出的低电平为0V，高电平为3.3V，推挽输出模式时的等效电路如下：

我是这么认为的P-MOS的S级是P；N-MOS的S级是N；S级和G级之间同性相斥，异性相吸。P-MOS的S级是P意味着S级需要接3.3V，N-MOS的S级是N意味着S级需要接GND，那么S和G之间同性相斥，就是说再P-MOS的S级是3.3的时候，G如果也是3.3就不会导通，就像一个开关它不会闭合。异性相吸就是指P-MOS的S级是3.3的时候，G如果是0，就会导通，就像一个开关闭合。

而在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1（它无法直接输出高电平）时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。正常使用时必须外部接上拉电阻，等效电路如下图。

它具有“线与”特性，也就是说若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0V。
（这里高阻态我理解为逻辑上的、理论上的断路。）
推挽输出模式一般应用在输出电平为0V和3.3V而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32应用中，除了必须用开漏模式的场合，一般习惯使用推挽输出模式。
开漏输出一般应用在IIC、SMBUS通信等需要“线与”功能的总线电路中（这里总算明白为什么IIC需要配置开漏了，因为判断ACK需要此功能）。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要5V的高电平，就可以在外部接上一个上拉电阻，上拉电源为5V，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5V。

2.1.3 输出数据寄存器

前面提到的 双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

2.1.4 复用功能输出

“复用功能输出”中的“复用”是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制，此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与 GPIO 本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

2.1.5 输入数据寄存器

看 GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器 GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO 引脚的电平状态。

上拉默认管脚高电平，下拉默认管脚低电平。

2.1.6 复用功能输入

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO 引脚的信号传输到STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。
同样，如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，使 USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

2.1.7 模拟输入输出

当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当 GPIO 引脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。

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• 由 青梅煮久 写于 2022 年 02 月 24 日