STM32的GPIO介绍及电路图讲解
stm32的gpio介绍
stm32引脚说明
gpio是通用输入/输出端口的简称，是stm32可控制的引脚。gpio的引脚与外部硬件设备连接，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。
stm32f103zet6芯片为144脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口(gpio)组，分别为gpioa、gpiob、gpioc、gpiod、gpioe、gpiof、gpiog，同时每组gpio口组有16个gpio口。通常简略称为pax、pbx、pcx、pdx、pex、pfx、pgx，其中x为0-15。
stm32的大部分引脚除了当gpio使用之外，还可以复用位外设功能引脚(比如串口)，这部分在【stm32】stm32端口复用和重映射(afio辅助功能时钟) 中有详细的介绍。
gpio基本结构
每个gpio内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。
这边的电路图稍微提一下：
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。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。
p-mos管和n-mos管：由p-mos管和n-mos管组成的单元电路使得gpio具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。
ttl肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当gpio引脚作为adc采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行ttl电平转换。adc外设要采集到的原始的模拟信号。
这里需要注意的是，在查看《stm32中文参考手册v10》中的gpio的表格时，会看到有“ft”一列，这代表着这个gpio口时兼容3.3v和5v的;如果没有标注“ft”，就代表着不兼容5v。
stm32的gpio工作方式
gpio支持4种输入模式(浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入)和4种输出模式(开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出)。同时，gpio还支持三种最大翻转速度(2mhz、10mhz、50mhz)。
每个i/o口可以自由编程，但i/o口寄存器必须按32位字被访问。
gpio_mode_ain 模拟输入
gpio_mode_in_floating 浮空输入
gpio_mode_ipd 下拉输入
gpio_mode_ipu 上拉输入
gpio_mode_out_od 开漏输出
gpio_mode_out_pp 推挽输出
gpio_mode_af_od 复用开漏输出
gpio_mode_af_pp 复用推挽输出
下面将具体介绍gpio的这八种工作方式：
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。也就是说，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。
上拉输入模式
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。但是在i/o端口悬空(在无信号输入)的情况下，输入端的电平可以保持在高电平;并且在i/o端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。
下拉输入模式
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。但是在i/o端口悬空(在无信号输入)的情况下，输入端的电平可以保持在低电平;并且在i/o端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。
模拟输入模式
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)直接模拟输入到片上外设模块，比如adc模块等等。
开漏输出模式
开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经n-mos管，最终输出到i/o端口。这里要注意n-mos管，当设置输出的值为高电平的时候，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。
开漏复用输出模式
开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让cpu直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。
总结与分析
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?
带上拉输入_ipu——io内部上拉电阻输入
带下拉输入_ipd—— io内部下拉电阻输入
模拟输入_ain ——应用adc模拟输入，或者低功耗下省电
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
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
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)
小米年度逆天五大更新，你真会用吗？尤其最后一个！
VR/无人机/可穿戴等十项科技推动物联网时代开启
智慧路灯杆面临的城市照明服务痛点是什么
如何利用DS31256 HDLC控制器实现间隔时钟应用
排水管网窨井水位监测预警系统案例
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gpio是通用输入/输出端口的简称，是stm32可控制的引脚。gpio的引脚与外部硬件设备连接，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。
stm32f103zet6芯片为144脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口(gpio)组，分别为gpioa、gpiob、gpioc、gpiod、gpioe、gpiof、gpiog，同时每组gpio口组有16个gpio口。通常简略称为pax、pbx、pcx、pdx、pex、pfx、pgx，其中x为0-15。
stm32的大部分引脚除了当gpio使用之外，还可以复用位外设功能引脚(比如串口)，这部分在【stm32】stm32端口复用和重映射(afio辅助功能时钟) 中有详细的介绍。
gpio基本结构
每个gpio内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。
这边的电路图稍微提一下：
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。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。
p-mos管和n-mos管：由p-mos管和n-mos管组成的单元电路使得gpio具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。
ttl肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当gpio引脚作为adc采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行ttl电平转换。adc外设要采集到的原始的模拟信号。
这里需要注意的是，在查看《stm32中文参考手册v10》中的gpio的表格时，会看到有“ft”一列，这代表着这个gpio口时兼容3.3v和5v的;如果没有标注“ft”，就代表着不兼容5v。
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gpio支持4种输入模式(浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入)和4种输出模式(开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出)。同时，gpio还支持三种最大翻转速度(2mhz、10mhz、50mhz)。
每个i/o口可以自由编程，但i/o口寄存器必须按32位字被访问。
gpio_mode_ain 模拟输入
gpio_mode_in_floating 浮空输入
gpio_mode_ipd 下拉输入
gpio_mode_ipu 上拉输入
gpio_mode_out_od 开漏输出
gpio_mode_out_pp 推挽输出
gpio_mode_af_od 复用开漏输出
gpio_mode_af_pp 复用推挽输出
下面将具体介绍gpio的这八种工作方式：
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。也就是说，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。
上拉输入模式
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。但是在i/o端口悬空(在无信号输入)的情况下，输入端的电平可以保持在高电平;并且在i/o端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。
下拉输入模式
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。但是在i/o端口悬空(在无信号输入)的情况下，输入端的电平可以保持在低电平;并且在i/o端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。
模拟输入模式
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)直接模拟输入到片上外设模块，比如adc模块等等。
开漏输出模式
开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经n-mos管，最终输出到i/o端口。这里要注意n-mos管，当设置输出的值为高电平的时候，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。
开漏复用输出模式
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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?
带上拉输入_ipu——io内部上拉电阻输入
带下拉输入_ipd—— io内部下拉电阻输入
模拟输入_ain ——应用adc模拟输入，或者低功耗下省电
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
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
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)
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