STM32 GPIO模式理解

Posted 2020-08-22 芯途之旅

stm32的GPIO的配置模式有好几种，包括：

1. 模拟输入；

2. 浮空输入；

3. 上拉输入；

4. 下拉输入；

5. 开漏输出；

6. 推挽输出；

7. 复用开漏输出；

8. 复用推挽输出

   

如图是GPIO的结构原理图：

   

1.模拟输入

   

从上图我们可以看到，我觉得模拟输入最重要的一点就是，他不经过输入数据寄存器，所以我们无法通过读取输入数据寄存器来获取模拟输入的值，我觉得这一点也是很好理解的，因为输入数据寄存器中存放的不是0就是1，而模拟输入信号不符合这一要求，所以自然不能放进输入数据寄存器。该输入模式，使我们可以获得外部的模拟信号。

   

2.浮空输入

   

该输入状态，我的理解是，它的输入完全由外部决定，我觉得在数据通信中应该可以使用该模式。应为在数据通信中，我们直观的理解就是线路两端连接着发送端和接收断，他们都需要准确获取对方的信号电平，不需要外界的干预。所以我觉得这种情况适合浮空输入。比如我们熟悉的I2C通信。

   

3上拉输入

   

上拉输入就是在输入电路上使用了上拉电阻。这种模式的好处在于我们什么都不输入时，由于内部上拉电阻的原因，我们的处理器会觉得我们输入了高电平，这就避免了不确定的输入。这在要求输入电平只要高低两种电平的情况下是很有用的。

   

4下拉输入

和上拉输入类似，不过下拉输入时，在外部没有输入时，我们的处理器会觉得我们输入了低电平。

   

5开漏输出

   

开漏输出，输出端相当于三极管的集电极，所以适合与做电流驱动的应用。要得到高电平，需要上拉电阻才可以。

   

6推挽输出

   

推挽输出使用了推挽电路，结合推挽电路的特性，它是由两个MOSFET组成，一个导通的同时，另外一个截至，两个MOSFET分别连接高低电平，所以哪一个导通就会输出相应的电平。推挽电路速度快，输出能力强，直接输出高电平或者低电平。

   

7复用开漏和复用推挽

   

我们知道这只是对GPIO的复用而已。使普通的GPIO具有了别的功能。

   

 

   

推挽输出:

可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

 

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。

详细理解：

如图所示，推挽放大器的输出级有两个"臂"（两组放大元件），一个"臂"的电流增加时，另一个"臂"的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个"臂"在推，一个"臂"在拉，共同完成电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来，输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使RC常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

 

开漏输出:

输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 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).

开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。
2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）
3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
4. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成"与逻辑"关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

   补充：什么是"线与"？：

   在一个结点(线)上,连接一个上拉电阻到电源VCC或VDD和n个NPN或NMOS晶体管的集电极C或漏极D,这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上,只要有一个晶体管饱和,这个结点(线)就被拉到地线电平上.因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和,所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑.如果这个结点后面加一个反相器,就是或OR逻辑.

   其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路"相当于被一根导线短路"，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

    

关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：

该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

 

浮空输入：

对于浮空输入，一直没找到很权威的解释，只好从GPIO的结构原理图中去理解了

 

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

 

上拉输入/下拉输入/模拟输入：

这几个概念很好理解，从字面便能轻易读懂。

 

复用开漏输出、复用推挽输出：

可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）

 

最后总结下使用情况：

在STM32中选用IO模式
（1）浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1
（2）带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
（3）带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
（4）模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
（5）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，实现C51的IO双向功能
（6）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
（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

STM32设置实例：

（1）模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD，接上拉电阻，能够正确输出0和1；读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以读IO的值；使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；

（2）如果是无上拉电阻，IO默认是高电平；需要读取IO的值，可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD；

通常有5种方式使用某个引脚功能，它们的配置方式如下：
1）作为普通GPIO输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
2）作为普通GPIO输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4）作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
5）作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

注意如果有多个复用功能模块对应同一个引脚，只能使能其中之一，其它模块保持非使能状态。