GPIO的八种模式及工作原理(电路原理和三极管)

首先介绍一下接口类型

接口就是芯片之间的连接方式。单片机通过GPIO与各种模块相连接，传输数据、信号。接口类型可分为以下几种：

1、普通GPIO接口

通常只有一个引脚，只负责输出、输入高低电平。

比如输出高低电平控制LED、蜂鸣器；作为按键输入引脚判断按键是否被按下。

２、协议类GPIO接口

一条或多条数据线根据某种协议传输数据，引脚仍是输出输入高低电平，但是输出输入是根据协议决定的，比如IIC协议，只有在时钟线低电平的时候，数据线才能进行高低电平转换，时钟线为高电平的时候，数据线必须保持电平不变（起始信号、结束信号除外）。

这种情况一般是用来传输比较复杂的数据，比如与各种传感器、LCD等连接。

常见的协议有IIC、SPI、CAN、FSMC等。

３、内存接口

比如与Nor Flash、SDRAM、DDR、网卡DM9000等连接。

这类接口有地址总线、数据总线、读数据、写数据和片选信号。

４、interwetten与威廉的赔率体系 接口

之前三种接口GPIO的输入输出的都是高低电平，电平信号不是０就是1。

模拟接口GPIO输入输出是不确定的。简单理解就是输入输出的是模拟信号，是可以连续变化的，能输出0-Vmax之间的任意值。

2. GPIO简介

GPIO,即通用I/O(输入/输出)端口，是STM32可控制的引脚。STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

STM32F407有7组IO。分别为GPIOA~GPIOG，每组IO有16个IO口，共有112个IO口通常称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。并且F4系列是基于Cortex-M4内核

GPIO的复用：

STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。 比如说串口 就是GPIO复用为串口

3. GPIO的工作模式

1、4种输入模式

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

2、4种输出模式

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

3、4种最大输出速度

（1）2MHZ (低速)
（2）25MHZ (中速)
（3）50MHZ (快速)
（4）100MHZ (高速)

关于他们的定义，都在 stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义

4.GPIO框图剖析

我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式 这里我们简单的介绍下：

保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT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，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁

上拉、下拉电阻：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平

TTL施密特触发器：基本原理是当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号 也就是高低电平 并且是TTL电平协议 这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因

P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式 P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭

注：VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V

在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“I/O电平”一列 有FT即为支持5V

5.GPIO的八种工作模式剖析：

浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。MCU直接读取I/O口电平，I/O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（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。(接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别

上拉输入模式

IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平

STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

下拉输入模式

IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平 如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平

模拟输入模式

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，此时信号不经过施密特触发器，直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空 ，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态

当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出。

除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，

开漏输出模式（带上拉或者下拉）

（P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭）

在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定 如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态

并且此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。，I/O口的电平不一定是输出的电平

推挽输出模式（带上拉或者下拉）

（P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭）

在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平， 外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平

此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。I/O口的电平一定是输出的电平

复用开漏输出（带上拉或者下拉）

GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

复用推挽输出（带上拉或者下拉）

GPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：

可以输出强高低电平，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.

开漏输出：

可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平 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)；

在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平

补充介绍三极管NPN PNP

三极管也是只有在某些条件下才会导通。常用做开关电路。

三极管分为PNP和NPN两种，但是原理是类似的。

对于三极管，只需记住通过基极b和发射机e的导通控制集电极c和发射机e的导通。

NPN：

根据图中箭头判断电流流向。若基极电压Vb大于发射极电压Ve，则be之间导通，从而导致ce之间导通。那么V2就与低相连，V2=0。

通常Vb-Ve > 0.7v就认为be之间导通，根据材质这个电压可能会变化。

Vcon = 1，be导通，ce导通，V2 =0为低电平。

Vcon = 0，be截止，ce截止，V2 = V为高电平。

可以看到，V2电压与Vcon电压相反，所以一个三极管可以做反向电路。

PNP：

PNP型三极管与NPN的类似。

根据图中箭头判断电流流向。若发射极电压Ve大于基极电压Vb，则eb之间导通，从而导致ec之间导通。那么V2就与V相连，V2=V，为高电平。

Vcon = 1，eb截止，ec截止，V2 =0为低电平。

Vcon = 0，eb导通，ec导通，V2 = V为高电平。

常见基本电路知识

推挽输出电路：其中IN端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IN端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

开漏输出电路：IN端输出低电平时，三极管导通，使输出接地，IN端输出高电平时，三极管截止，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须接上拉电阻，

在STM32中选用IO模式:

上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
模拟输入——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
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。
推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏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。
复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

F4系列与F1系列区别:

本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核而F1系列采用Cortex-M3内核

F1系列(M3)IO口基本结构：

F4系列(M4)IO口基本结构：

F4系列设计的更加高级与人性化，他将外部上下拉电阻转移到了输出/输入驱动器外部，使得输出模式下也可以实现内部上拉与下拉，方便了用户的使用，增加了灵活性

GPIO的初始化(F4)

这里我们以初始化LED为例

1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/

一共有5个参数

2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟（时钟必要）

RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*开启 AHB1时钟*/

Q:为什么要设置时钟？

任何外设都需要时钟，51单片机，stm32，430等等，因为寄存器是由D触发器组成的，往触发器里面写东西，前提条件是有时钟输入。stm32是低功耗，他将所有的门都默认设置为disable(不使能)，在你需要用哪个门的时候，开哪个门就可以，也就是说用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以， 其他的没用到的可以还是disable(不使能)，这样耗能就会减少。

Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？

因为首 先 STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率， 比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁 干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到

RCC_AHB1

RCC_APB1

3选择要控制的 GPIO 引脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; /*选择Pin9引脚*/

可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

4设置所选引脚的模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; /*设定为输出模式*/

引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

5 设定所选引脚的输出类型

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

输出模式有两种：推挽输出和开漏输出

只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

6 设定所选管脚的速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz 高速模式

7 设定所选管脚的上拉与下拉

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*设置引脚为上拉模式*/

可设置为：上拉，下拉，与浮空

8初始化GPIO

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化所设置的引脚

GPIO_Init() 是官方配置的初始化函数第一个参数是GPIOX 第二个参数是结构体所对应GPIO各种参数的配置

GPIO的初始化(F1)

F4的初始化相较于F1系列有了很大的改变，在配置F1系列时，结构体只有三个参数

GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

所选管脚的速度

所选管脚的8种模式

区别：

F1(M-3)系列管脚速度只有三种模式 并且管脚的模式配置八种模式全部都在一起定义，直接设置即可

总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可

void led_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; //定义初始化结构体
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟

GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //配置模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //配置哪个IO口
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //配置IO口速度,仅输出有效
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); //初始化GPIOA的参数为以上结构体
}