[嵌入式]（STM32笔记）七、GPIO基础知识

我用的是正点的STM32F767来进行学习。之后的这个系列笔记开头未标明的话，用的也是这个板子。

GPIO的控制部分还未完成，理解这一部分对于我这个小菜鸡属实吃力不少

七、GPIO基础知识

1、GPIO介绍

GPIO（全称：General Purpose Input Output（通用输入输出端口））是一款端口扩展器，可以做输入也可以做输出。GPIO端口可通过程序配置成输入或者输出。

GPIO具有低功耗、小封装、低成本、布线简单等优点。

STM32的引脚中，有部分是做GPIO使用，部分是电源引脚/复位引脚/启动模式引脚/晶振引脚/调试下载引脚。

2、GPIO八种工作模式解释（STM32）

本小节图片引用自【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）

在Cortex-M3里，对于GPIO的配置种类有8种：

1. GPIO_Mode_AIN 模拟输入
2. GPIO_Mode_IN_FLOAtiNG 浮空输入
3. GPIO_Mode_IPD 下拉输入
4. GPIO_Mode_IPU 上拉输入
5. GPIO_Mode_Out_OD开漏输出
6. GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
7. GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
8. GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出
   

1）4种输入模式

（1）浮空输入

1. GPIO_Mode_IN_FLOATING
2. 作用：
   当输入一个高电平时，会检测到高电平；
   当输入低电平时，会检测到低电平；
   当无信号输入时，该端口的电平是不确定的。
3. 原理：
   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。
   当引脚悬空（在无信号输入）的情况下，I/O的电平状态是不确定的，会因为各种各样的情况受到干扰。
   
4. 参考资料：
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）
   GPIO工作模式

（2）上拉输入

1. GPIO_Mode_IPU
2. 作用：
   当输入一个高电平时，会检测到高电平；
   当输入低电平时，会检测到低电平；
   当无信号输入时，会检测到高电平。
3. 原理：
   上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。
   当输入一个高电平时，VDD不产生影响；
   当输入低电平时，上拉电阻压降为VDD，VDD不产生影响；
   当无信号输入时，由于上拉电阻电流很小，所以降压很低，故会检测到高电平。
   
4. 参考资料：
   视频12分50秒
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）
   GPIO工作模式

（3）下拉输入

1. GPIO_Mode_IPD
2. 作用：
   当输入一个高电平时，会检测到高电平；
   当输入低电平时，会检测到低电平；
   当无信号输入时，会检测到低电平。
3. 原理：
   下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。
   当输入一个高电平时，下拉电阻电流很小，VSS不产生影响；
   当输入低电平时，VSS不产生影响；
   当无信号输入时，下拉电阻两端皆为低电平，故会检测到低电平。
   
4. 参考资料：
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）
   GPIO工作模式

（4）模拟输入

1. GPIO_Mode_AIN
2. 作用：
   将不会检测到电平信息，会检测到完整的电压变化。
3. 原理：
   模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到外设模块，比如ADC模块等等。
   
4. 参考资料：
   GPIO工作模式
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）

2）4种输出模式（带上下拉）

（1）开漏输出（带上拉或者下拉）

1. GPIO_Mode_Out_OD
2. 作用：
   当设置输出为高电平时，端口输出高低电平由端口外的上拉或下拉决定。
   当设置输出为低电平时，端口输出低电平。
   当输出低电平以后，端口可以进行输入。
3. 原理：
   当设置输出为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；
   当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。
   同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；
   注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平，电平由上拉电阻控制。
   
4. 参考资料：
   GPIO工作模式
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）

（2）复用开漏输出（带上拉或者下拉）

1. GPIO_Mode_AF_OD
2. 作用：
   当外设输出为高电平时，端口输出高低电平由端口外的上拉或下拉决定。
   当外设输出为低电平时，端口输出低电平。
   当输出低电平以后，端口可以进行输入。
3. 原理：
   与开漏输出相同，只不过由外设控制高低电平。
   
4. 参考资料：
   GPIO工作模式
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）

（3）推挽式输出（带上拉或者下拉）

1. GPIO_Mode_Out_PP
2. 作用：
   当设置输出为高电平时，端口输出高电平。
   当设置输出为低电平时，端口输出低电平。
   当输出低电平以后，端口可以进行输入。
3. 原理：
   当设置输出为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的高电平由P-MOS管的VDD决定；
   当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，P-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就是低电平。
   
4. 参考资料：
   GPIO工作模式
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）

（4）复用推挽输出（带上拉或者下拉）

1. GPIO_Mode_AF_PP
2. 作用：
   当外设输出为高电平时，端口输出高电平。
   当外设输出为低电平时，端口输出低电平。
   当输出低电平以后，端口可以进行输入。
3. 原理：
   与推挽输出相同，只不过由外设控制高低电平。
   
4. 参考资料：
   GPIO工作模式
   【STM32】GPIO工作原理（八种工作方式超详细分析，附电路图）

3）八种工作模式的区别

（1）什么是推挽结构和推挽电路？

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。
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。

（2）开漏输出和推挽输出的区别？

开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。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)；
推挽输出:可以输出强高、低电平，连接数字器件。
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。

（3）在STM32中选用怎样选择I/O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 \ STM32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）

（4）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；
3. 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；

4）IO 端口复用功能配置:

1. 对于复用功能输入，端口可以配置成任意输入模式或者复用功能输出模式。
2. 对于复用功能输出，端口必须配置成复用功能输出
3. 对于双向复用功能，端口必须配置成复用功能输出
4. stm32 的部分 IO 端口的复用功能可以重新映射成另外的复用功能。
5. stm32 具有 GPIO 锁定机制，即锁定 GPIO 配置，下次复位前不能再修改。
6. LSE 振荡器关闭时，OSC32_IN和 OSC32_OUT 可以用作通用 IO PC14 和 PC15。
7. 当进入待机模式或者备份域由 Vbat 供电，PC14，PC15 功能丢失，该两个 IO 口线设置为模拟输入功能。
8. OSC_IN 和 OSC_OUT 可以重新映射为 GPIO PD0，PD1。
9. 注意 PD0，PD1 用于输出地时候仅能用于 50MHz 输出模式。
10. 注意:PC13，PC14，PC15 只能用于 2MHz 的输出模式，最多只能带 30pf 的负载，并且同时只能使用一个引脚!!!

5）上电复位后IO口状态

上电复位后，GPIO默认为输入浮空状态，部分特殊功能引脚为特定状态。

复位后，调试引脚处于复用功能上拉/下拉状态：

• PA15：JTDI处于上拉状态
• PA14：JTCK/SWCLK处于下拉状态
• PA13：JTMS/SWDAT处于下拉状态
• PB4：NJTRST处于上拉状态
• PB3：JTDO处于浮空状态

3、开发板芯片的引脚常用参数

注：由于我使用的是STM32F767，所以本小节分析STM32F767IGT6的参数

1. 引脚数量：176 / 4个方向
2. 主频：180 MHz
3. 内核：ARM Cortex-M7
4. Flash：1024 KB
5. 封装：LQFP176
6. 通用IO数量：132
7. 最低工作电压：1.7 V
8. 最高工作电压：3.6 V
9. 一共9组IO：PA ~ PI
PA~ PH每组16个IO（Pa0 ~ Pa15），PI只有12个IO（PI0 ~ PI11）
   共140个IO口。