在電子系統(tǒng)設(shè)計中，STM32 的 GPIO（通用輸入輸出）具有至關(guān)重要的作用，它可以被配置為多種模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。這些模式包括輸入浮空、輸入上拉 / 下拉、模擬、推挽和開漏輸出等。在輸入模式里，上拉和下拉電阻的作用十分關(guān)鍵，它們能夠確保邏輯電平的確定性，避免信號的不穩(wěn)定。而輸出模式分為推挽和開漏，推挽模式使用兩個晶體管（一個 PMOS 和一個 NMOS）來驅(qū)動輸出，能夠快速地將輸出驅(qū)動到適當(dāng)?shù)碾娖剑婚_漏模式則需要外部上拉電阻，在一些特定的應(yīng)用場景中具有獨特的優(yōu)勢。復(fù)用功能允許 GPIO 與多個外設(shè)共享，大大提高了引腳的利用率；模擬配置則用于 ADC、DAC 等模擬信號操作，為處理模擬信號提供了便利。配置這些模式涉及到 GPIOx_PUPDR、GPIOx_OTYPER 等寄存器。

GPIO 等效原理圖

STM32 產(chǎn)品集成了三個主要的 GPIO 基本結(jié)構(gòu)，分別是三伏兼容（縮寫為 TC）、三伏容限（縮寫為 TT）和五伏容限（縮寫為 FT）。圖 1 給出了等效的 GPIO 圖結(jié)構(gòu)，圖 2 給出了 TT 或 FT 等效的 GPIO 圖結(jié)構(gòu)。

輸入模式配置

當(dāng) STM32 器件 I/O 引腳配置為輸入時，有三種選項可供選擇：

• 帶內(nèi)部上拉的輸出：在 STM32 器件中使用上拉電阻，能確保在浮動輸入信號的情況下具有良好定義的邏輯電平。根據(jù)應(yīng)用要求，還可以使用外部上拉電阻。
• 帶內(nèi)部下拉的輸入：使用下拉電阻，同樣是為了確保在浮動輸入信號時邏輯電平的確定性。也可根據(jù)需要使用外部下拉電阻。
• 浮空輸入：信號電平跟隨外部信號。但當(dāng)沒有外部信號時，施密特觸發(fā)器會在由外部噪聲引起的邏輯電平之間隨機切換，這會增加總體消耗。

編程為輸入時，I/O 端口具有以下特征：

• 輸出緩沖器被關(guān)閉；
• 施密特觸發(fā)器輸入被打開；
• 根據(jù) GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否激活上拉或下拉電阻；
• 輸入數(shù)據(jù)寄存器每隔 1 個 AHB 時鐘周期對 I/O 引腳上的數(shù)據(jù)進行一次采樣；
• 通過讀取 GPIOx_IDR 輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取 I/O 狀態(tài)。

輸出模式配置

當(dāng) STM32 器件 I/O 引腳配置為輸出時，有兩種選項：

• 推挽輸出模式：推挽輸出使用兩個晶體管（一個 PMOS 和一個 NMOS）。當(dāng)輸出必須驅(qū)動為高電平狀態(tài)時，頂部晶體管（PMOS）導(dǎo)通；當(dāng)輸出必須驅(qū)動為低電平狀態(tài)時，底部晶體管（NMOS）導(dǎo)通。兩個晶體管的控制通過 GPIO 端口輸出類型寄存器（GPIOx_OTYPER）完成。將輸出寄存器（GPIOx_ODR）的相關(guān)位寫 0 可激活 NMOS 晶體管，強制 I/O 引腳接地；寫 1 可激活 PMOS 晶體管，強制 I/O 引腳接通 VDD。
• 開漏輸出模式：開漏輸出模式不使用 PMOS 晶體管，而是需要一個上拉電阻。當(dāng)輸出必須變?yōu)楦唠娖綍r，必須關(guān)閉 NMOS 晶體管，僅通過上拉電阻將電平拉高。該上拉電阻可以是內(nèi)部的，典型值為 40kOhm，并通過 GPIO 端口上拉 / 下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）激活。

編程為輸出時，I/O 端口具有以下特征：

• 可將輸出緩沖器配置為開漏或推挽模式；
• 施密特觸發(fā)器輸入被打開；
• 根據(jù) GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否激活上拉或下拉電阻；
• 寫入輸出數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_ODR 的值將 I/O 引腳狀態(tài)置位；
• GPIOx_ODR 中的寫入數(shù)據(jù)可從 GPIOx_IDR 中讀取，該寄存器每個 AHB 時鐘周期更新一次。

復(fù)用功能

在一些 STM32 GPIO 引腳上，用戶可以選擇復(fù)用功能輸入 / 輸出。每個引腳可與多達 16 個外設(shè)功能復(fù)用，例如通信接口（SPI，UART，I2C，USB，CAN，LCD 等）、定時器、調(diào)試接口等。所選引腳的復(fù)用功能通過兩個寄存器配置：GPIOx_AFRL（引腳 0 到 7）和 GPIOx_AFRH（引腳 8 到 15）。
對 I/O 端口進行編程作為復(fù)用功能時：

• 可將輸出緩沖器配置為開漏或推挽模式
• 輸出緩沖器由來自外設(shè)的信號驅(qū)動（發(fā)送器使能和數(shù)據(jù)）
• 施密特觸發(fā)器輸入被打開
• 根據(jù) GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否激活上拉或下拉電阻
• 輸入數(shù)據(jù)寄存器每隔 1 個 AHB 時鐘周期對 I/O 引腳上的數(shù)據(jù)進行一次采樣。
• 對輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問可獲取 I/O 狀態(tài)。

模擬配置

有一些 STM32 GPIO 引腳可以配置為模擬模式，允許使用 ADC、DAC、OPAMP 和 COMP 內(nèi)部外設(shè)。要在模擬模式下使用 GPIO 引腳，需要考慮以下寄存器：

• GPIOx_MODER，用于選擇模式（輸入，輸出，復(fù)用，模擬）
• GPIOx_ASCR，用于選擇所需的功能，如 ADC，DAC，OPAMP 或 COMP

對 I/O 端口進行編程作為模擬配置時：

• 輸出緩沖器被關(guān)閉
• 施密特觸發(fā)器輸入被禁用，因此 I/O 引腳的每個模擬值零消耗。施密特觸發(fā)器的輸出被強制為恒定值（0）。
• 上拉和下拉電阻被硬件關(guān)閉
• 對輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問值為 “0”。

GPIO 配置指南