关于STM32中GPIO的8种工作模式

Posted 2020-06-08

1 综述

I/O口是单片机中非常常用的外设，STM32的I/O口有8种状态，虽然一直在使用过程中没有遇到什么问题，但是一直都不是很清楚，因此这里做一个总结（实际上这里的概念也是和STM8等其他单片机，理解了这8中状态，也就基本上理解了大部分I/O口）。

2 庐山真面目

我们在库文件中的"stm32f10x_gpio.h"中可以看到如下代码：

1. typedef enum
2. {
3. GPIO_Mode_AIN = 0x0,
4. ??GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,
5. ??GPIO_Mode_IPD = 0x28,
6. ??GPIO_Mode_IPU = 0x48,
7. ??GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,
8. ??GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,
9. ??GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,
10. ??GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
11. }GPIOMode_TypeDef;

上面因为是英文，不甚清晰，下面下面翻译一下：

1. typedef enum
2. {
3. GPIO_Mode_AIN = 0x0, /* 模拟输入 */
4. ? GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, /* 浮空输入，复位后的状态 */
5. ??GPIO_Mode_IPD = 0x28, /* 下拉输入，这里的下拉是指单片机内部的电阻 */
6. ??GPIO_Mode_IPU = 0x48, /* 上拉输入，这里的上拉是指单片机内部的电阻 */
7. ??GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, /* 开漏输出 */
8. ??GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, /* 推挽输出 */
9. ??GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, /* 复用开漏输出 */
10. ??GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 /* 复用推挽输出 */
11. }GPIOMode_TypeDef;

在芯片资料中我们可以看到，I/O口的基本结构如下（5V兼容I/O位的基本结构图省略）：

由于我们使用函数库开发，因此本文就不再接扫具体的位操作了。

3 分别介绍

3.1 模拟输入（Analog input）

顾名思义，就是这个I/O口（input/output口）当作input使用，并且是模拟输入。模拟输入状态下用来接受模拟量（电压值），一般用于AD采集。

3.2 浮空输入（Floating input）

也叫悬浮输入，一般把浮空输入和上拉输入做类比学习。上拉输入的时候，引脚内部有一个上拉电阻通过开关连接到电源VDD，当引脚没有和外部电路连接时，设置上拉输入方式的I/O引脚电平是确定的高电平（相同的，下拉输入就是确定的低电平）。而浮空输入则不同，它的电瓶水hi不确定的，即使外部的一个很小的输入信号都会使其发生改变。如果引脚设置为悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

3.3 下拉输入（Input down）

顾名思义，很好理解，可以参见3.2 浮空输入。

3.4 上拉输入（Input up）

顾名思义，很好理解，可以参见3.2 浮空输入。

3.5 开漏输出（Open Collector Output）

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流经上拉电阻、MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

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、开漏输出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，即"线与"。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。

开漏输出就是不输出电压，低电平时接地，高电平时不接地。如果外接上拉电阻，则在输出高电平时电压会拉到上拉电阻的电源电压。这种方式适合在连接的外设电压比单片机电压低的时候。输出端出跟集电极开路十分相似，工作原理也是一样的。不同的是，开漏输出使用的场效应管，使用时要加上拉电阻。（挺绕的，有机会用具体工程来介绍）

3.6 推挽输出（Push-Pull Output）

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个互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源决定。

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。

关于推挽输出和开漏输出，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。

3.7 复用开漏输出

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）。

3.8 复用推挽输出

与复用开漏输出一样，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）。

4 使用场景总结

1、浮空输入GPIO_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1。

2、带上拉输入GPIO_IPU——IO内部上拉电阻输入，有时也用作KEY是些。

3、带下拉输入GPIO_IPD—— IO内部下拉电阻输入，有时也用作KEY是些。

4、模拟输入GPIO_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电。

5、开漏输出GPIO_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GPIO_Mode_Out_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的。用的最多了。

使用SPI芯片等的时候，片选引脚就是该模式。

7、复用功能的推挽输出GPIO_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）

8、复用功能的开漏输出GPIO_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

在使用SPI芯片的时候，SCK MISO MOSI管教就是该模式

5 STM32项目实例

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。比如要使用STM32F103VBT6的47、48脚的USART3功能，则需要配置47脚为复用推挽输出或复用开漏输出，配置48脚为某种输入模式，同时使能USART3并保持I2C2的非使能状态。如果要使用STM32F103VBT6的47脚作为TIM2_CH3，则需要对TIM2进行重映射，然后再按复用功能的方式配置对应引脚。

【END/2016-01-15】