STM32系统的GPIO原理与结构

一、GPIO接口原理

  原理概述：GPIO是通用输入输出接口，是单片机的一些引脚，可以控制LED灯、蜂鸣器，也可用于按键输入、ADC采样等，从而实现STM32单片机与外部硬件之间的连接与数据交互。通用I/O(GPIO)是STM32微处理器非常重要的一种接口，具有使用灵活、可配置、多功能等优点。

  STM32系列微处理器最多可以有7组GPIO端口，每组端口有16个I/O接口，每个接口包含下列四种寄存器：

二、GPIO的基本结构

2.1 四种输入模式

输入模式	应用特点
模拟输入	直接连接到内部ADC模块，可以实现对模拟信号的采样。
浮空输入	优点：输入阻抗高，MCU采集的状态是单纯的外部信号；缺点：完全浮空，状态不稳定。由于浮空阻抗大，一般由于IIC\USART等通信协议。
上拉输入	I/O信号线连接到一个电阻到VCC上，当外部不接信号的时候，管脚默认为高电平。当输入信号比较弱时，容易受到干扰不稳定，选择上拉。
下拉输入	I/O信号线连接到一个电阻到地上，当外部不接信号的时候，管脚默认为低电平。

2.2 四种输出模式

输出模式	应用特点
开漏输出	优点：可实现电平转换，输出电平取决于上拉电阻电源；缺点：高电平驱动能力差，取决于外部上拉电阻。
推挽输出	输出高低电平与电源电压j基本没有压差，可以提供较强的高电平与低电平驱动能力。
复用开漏	片上外设功能，比如IIC的SDL、SCL引脚等。
复用推挽	片上外设功能，比如SPI的SCK、MISO、MOSI引脚，串口等。

2.3 GPIO内部结构原理

GPIO每个I/O口都有上拉和下拉二极管，当外部电压过高时，上拉二极管导通，从而起到保护端口的作用；反之同理。

1. 输入模式

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，所有模式有寄存器CNFy[1:0]控制，该寄存器和控制着对应开关。

（1）模拟输入

打开输入通道上拉和下拉开关，施密特触发器关闭，信号从模拟通道输入到内部AD采样电路。

（2）浮空输入

打开输入通道上拉和下拉开关，模拟通道关闭，施密特触发器能把输入畸形信号转换成标准的方波输入高低电平。浮空输入模式下，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。

（3）上拉输入

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。默认情况下，上拉电阻连接VDD，无信号输入时，IDR读入高电平。

（4）下拉输入

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。无信号输入时，IDR读入低电平。

2. 输出模式

4种输出模式：开漏输出、复用开漏输出、推挽输出、复用推挽输出。输出控制电路和MOS驱动关都有相应速度，因此，输出模式有10Hz，2MHz，50MHz三种频率可选择。

（1）开漏输出

如图，输出端口上拉P-MOS管截止，下拉N-MOS管受数据的控制。当ODR寄存器的数据为0时，下拉N-MOS管导通，输出低电平；当ODR寄存器输出数据为1时，下拉N-MOS管截止，端口出现浮空模式，因此，需要外接上拉电阻。优点是：可以实现线与功能，如IIC通信。

（2）复用开漏输出

复用开漏输出模式与开漏输出类似。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。

（3）推挽输出

上拉P-MOS管和下拉N-MOS管交替工作。当ODR寄存器输出为0时，下拉N-MOS管导通，P-MOS管截止，输出0；当ODR寄存器输出为1时，下拉N-MOS管截止，P-MOS管导通，输出1。这样即提高电路的负载能力，又提高开关速度，且导通损耗小，效率高。

（4）复用推挽输出

复用推挽输出模式与推挽输出类似。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。

三、GPIO库函数

函数名	描述
GPIO_DeInit	将外设GPIO寄存器重设为缺省值
GPIO_AFIODeInit	将复用功能（重映射事件控制和EXTI设置）重设为缺省值
GPIO_Init	根据GPIO_StructInit中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器
GPIO_StructInit	把GPIO_StructInit中的每一个参数按缺省值填入
GPIO_ReadInputDataBit	读取指定端口管脚的输入
GPIO_ReadInputData	读取指定的GPIO端口输入
GPIO_ReadOutputDataBit	读取指定端口管脚的输出
GPIO_ReadOutputData	读取指定的GPIO端口输出
GPIO_SetBits	设置指定的数据端口位
GPIO_ResetBits	清除指定的数据端口位
GPIO_WriteBit	设置或清除指定的数据端口位
GPIO_Write	向指定的GPIO数据端口写入数据
GPIO_PinLockConfig	锁定GPIO管脚设置寄存器
GPIO_EventOutputConfig	选择GPIO管脚用作事件输出
GPIO_EventOutputCmd	使能或使能事件输出
GPIO_PinRemapConfig	改变指定管脚的映射
GPIO_EXTILineConfig	选择GPIO管脚用作外部中断线路

（1）GPIO_SetBits（）（与 GPIO_ResetBits函数相同）

功能描述：设置指定的数据端口位；

函数原形：GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

输入参数1：GPIOx可以是A、B、C、D或E，该参数用来选择GPIO外设；

输入参数2：GPIO_Pin，待设定的端口位，该参数可以取GPIO_Pin_x（x可以是0~15）的任意组合；

例如：把GPIOA端口的第1和第5引脚置1

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | PIO_Pin_5); //置 1

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | PIO_Pin_5); //清 0

（2）根据GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器的函数GPIO_Init（）；

函数原形：GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

输入参数1：GPIOx可以是A、B、C、D或E，该参数用来选择GPIO外设；

输入参数2：GPIO_InitStruc，指向结构体GPIO_InitTypeDef的指针，包含了外设GPIO的配置信息，GPIO_InitTypeDef 定义于文件"stm32f10x_gpio.h"中；

typedef struct
{uint16_t GPIO_Pin;             /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;  /*!< Specifies the speed for the selected pins.This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */
}GPIO_InitTypeDef;

GPIO_Pin：该参数选择待设置的GPIO管脚，使用操作符" | "可以一次选中多个管脚，该参数有：

• GPIO_Pin_0：选中管脚0；
• GPIO_Pin_All：选中所有管脚；
• GPIO_Pin_None：无管脚被选中；

GPIO_Speed：用以设置选中管脚的频率，取值有：

•   GPIO_Speed_10MHz：最高输出频率10MHz；
•   GPIO_Speed_2MHz：最高输出频率2MHz；
•   GPIO_Speed_50MHz：最高输出频率50MHz；

GPIO_Mode：用以设置选中管脚的工作状态，取值有：

• 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

例如，配置GPIOB为推挽输出模式

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;            // 定义结构体GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; // 管脚5  
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  // 输出频率为50MHz
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);        // 把参数写入寄存器