gpio模拟控制nand STM32的GPIO（通用输入输出）有什么用？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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STM32的GPIO（通用输入输出）有什么用？

STM32的GPIO（通用输入/输出）支持多种工作模式，每种模式都有其特定的应用场景。下面将详细讲解STM32 GPIO的几种主要工作模式及其运行方式：

模拟输入 （GPIO_Mode_AIN）: 在此模式下，GPIO引脚关闭了TTL肖特基触发器，不接上、下拉电阻，经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块，如传送至ADC模块，由ADC采集电压信号。使用ADC外设时，必须设置为模拟输入模式。浮空输入 （GPIO_Mode_IN_FLOATING）: 配置成此模式时，芯片内部既没有接上拉，也没有接下拉电阻，经由TTL肖特基触发器输入。由于其输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准的通信协议如I2C、USART的接收端。下拉输入 （GPIO_Mode_IPD）: 在此模式下，I/O端口的电平信号通过TTL肖特基触发器后，进入输入数据寄存器。在I/O端口悬空（无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平时，输入端的电平则为高电平。上拉输入 （GPIO_Mode_IPU）: 在此模式下，I/O端口的电平信号通过TTL肖特基触发器后，进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平时，输入端的电平则为低电平。开漏输出 （GPIO_Mode_Out_OD）: 在此模式下，上方的P-MOS管完全不工作。控制输出为0（低电平）时，N-MOS管导通，使输出接地。控制输出为1（高电平）时，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。推挽输出 （GPIO_Mode_Out_PP）: 在此模式下，输入高电平时，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而输入低电平时，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。推挽输出的低电平为0V，高电平为3.3V。复用开漏输出 （GPIO_Mode_AF_OD）: 类似于开漏输出模式，但输出的高低电平的来源不是CPU直接写输出数据寄存器，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。复用推挽输出 （GPIO_Mode_AF_PP）: 类似于推挽输出模式，但输出的高低电平的来源不是CPU直接写输出数据寄存器，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

我在高职教STM32——09GPIO入门之按键控制

大家好，我是老耿，高职青椒一枚，一直从事单片机、嵌入式、物联网等课程的教学。 对于高职的学生层次，同行应该都懂的，老师在课堂上教学几乎是没什么成就感的。正是如此，才有了借助头条平台寻求认同感和成就感 的想法。在这里，我准备陆续把自己花了很多心思设计的教学设计分享出来，如果您正是一名单片机爱好者或是一名同行，欢迎点赞+关注，各位的支持是本人持续输出的动力，多谢多谢！#我要上微头条# #STM32# #单片机系统与管理#

引言

在LED 项目中我们已经体验了GPIO 的强大之处。STM32 芯片除去晶振输入、电源输入、BOOT 引脚，剩下的均为GPIO 引脚。

每个GPIO 引脚可配置为8 种模式，而LED 项目我们只用了“推挽输出”这个模式。除此之外，所有的GPIO 引脚都可以用作外部中断源的输入，不同的引脚还有相应的复用和重映射功能，这些功能的应用需要我们在后续项目中逐步探索。

主要任务： 以按键这种典型的输入设备为例，着重分析GPIO 的模式配置。

本讲参考资料： 《STM32F10xxx 参考手册》、《STM32 固件函数库用户手册》

PS：本人给学生上课选用的洋桃工作室的“洋桃1号”STM32开发板，因此本文所使用的部分图片资料来自厂家，特此声明。

一、细说GPIO的硬件结构和功能——深入了解GPIO 外设及各种应用模式

GPIO结构概览

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。该图最右端代表STM32 芯片引出的GPIO 引脚，其余部件都位于芯片内部。

GPIO硬件结构框图

GPIO工作模式概览

学习GPIO 的8 种模式配置，首先需要根据功能框图分析数据和信号的传输通路，并弄清楚传输通道上各种控制机制的硬件组成及其控制原理。其次，再查看手册中相关寄存器的说明，这样就可以全面掌握该功能模块的操作原理。

GPIO的8种工作模式对比

GPIO基本结构分析 保护二极管

GPIO引脚上的保护二极管

当引脚电压高于VDD 时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS 时，下方的二极管导通。这样就可以防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。

尽管有这样的保护，并不意味着STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

MOS管与推挽输出

GPIO的推挽输出结构

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 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

推挽等效电路结构

在该结构中输入高电平时，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，两个管子轮流导通，P-MOS负责灌电流，N-MOS负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。

MOS管与开漏输出

开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，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的电平。

开漏等效电路结构

开漏输出与推挽输出的结构类似，但只有下拉的N-MOS管，而没有上拉的P-MOS管。

在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS 管导通，对外输出低电平；而如果在该结构中输入高电平时，N-MOS 管截止，这样既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。因此，在实际应用中，通常要外接合适的上拉电阻。

开漏输出具有“线与”特性，即多个开漏模式引脚连在一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平。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。

输出数据寄存器

GPIO硬件结构中的输出数据寄存器

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。

复用功能输出

GPIO硬件结构中的复用功能输出

“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。

输入数据寄存器

GPIO硬件结构中的输入数据寄存器

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。

复用功能输入

GPIO硬件结构中的复用功能输入

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。

模拟输入

GPIO硬件结构中的模拟输入

当GPIO引脚用于ADC 采集电压用作“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。

GPIO工作模式小结

固件库中对GPIO8中工作模式的描述

综上所述，GPIO的结构决定了GPIO的工作模式。在固件库中，GPIO总共有8种细分的工作模式，稍加整理可以大致归类为以下三类：

输入模式（模拟/浮空/上拉/下拉）① 在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。② 上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。③ 浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用这个模式。④ 模拟输入则用于ADC采集。输出模式（推挽/开漏）① 在输出模式中，推挽模式时双MOS管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平。② 开漏模式时，只有N-MOS管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。③ 输出速度可配置为2MHz/10MHz/50MHz的选项。此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。④ 在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。复用功能（推挽/开漏）复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。