101.1关于GPIO知识汇总

零.前言

　　有时候，不想搞懂的东西，也许，这一辈子都不会懂了。

　　本文参（搬）考（运）来源：http://forum.armfly.com/forum.php 安富莱电子论坛

 

一.Tips

1）对于不使用的引脚，推荐设置为模拟模式，悬空即可

2）GPIO 还涉及到一个注入电流的问题

3）GPIO 的速度等级高的时候，最好使能IO 补偿单元。

 

二.GPIO功能简介（基于STM32H7 ）

输出状态：开漏/推挽+ 上拉/下拉电阻。
通过输出数据寄存器（GPIOx_ODR）或者外设（GPIO 设置为复用模式时）输出数据。
GPIO 速度等级设置。

输入状态：浮空，上拉/下拉，模拟。
通过输入数据寄存器（GPIOx_IDR）或者外设（GPIO 设置为复用模式）输入数据。
通过寄存器GPIOx_BSRR 实现对寄存器GPIOx_ODR 的位操作。
通过配置寄存器GPIOx_LCKR 的锁机制，实现冻结IO 口配置。

每两个时钟周期就可以翻转一次IO。
高度灵活的引脚复用功能，允许IO 引脚既可以做GPIO 也可以做功能复用。

 

三.GPIO 功能模式分析

输入浮空
输入上拉
输入下拉
模拟功能
具有上拉或下拉功能的开漏输出
具有上拉或下拉功能的推挽输出
具有上拉或下拉功能的复用功能推挽
具有上拉或下拉功能的复用功能开漏

由于上拉和下拉是可选配置，对应的HAL 库配置使用下面6 种就可以表示：
GPIO_MODE_INPUT 输入模式
GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽输出
GPIO_MODE_OUTPUT_OD 开漏输出
GPIO_MODE_AF_PP 复用推挽
GPIO_MODE_AF_OD 复用开漏
GPIO_MODE_ANALOG 模拟模式

3.1 推挽输出

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式（push-pull）存在于电路中。

（推挽方式：https://www.zhihu.com/question/28512432）

电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，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。

推拉式输出级提高电路的负载能力。相对于开漏输出模式，推挽输出最大优势是输出高电平时，上升时间快，电压驱动能力强。

 

3.2 开漏输出

开漏端相当于MOS 管的漏极（三极管的集电极），要得到高电平状态必须外接上拉电阻才行，因此输出高电平的驱动能力完全由外接上拉电阻决定，但是其输出低电平的驱动能力很强。

开漏形式的电路有以下几个特点：

 

1. 输出高电平时利用外部电路的驱动能力，减少 IC内部的驱动。

 

2. 开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平。

如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。

上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。

 

3. 开漏输出提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。

因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。

所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

 

4. 可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系，即“线与”。

可以简单的理解为：

在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，

所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

 

3.3  复用推挽和开漏

复用指的是GPIO 切换到CPU 内部设备（比如SPI,I2C,UART 等电路），也就是GPIO 不是作为普通IO 使用，是由内部设备直接驱动。

推挽和开漏的特征同上。

 

3.4 四种输入模式

 浮空输入：CPU 内部的上拉电阻、下拉电阻均断开的输入模式。
下拉输入：CPU 内部的下拉电阻使能、上拉电阻断开的输入模式。
上拉输入：CPU 内部的上拉电阻使能、下拉电阻断开的输入模式。

 

3.5 模拟输入

模拟输入模式是GPIO 引脚连接内部ADC。

 

四. 拉电流和灌电流

拉电流负载：一种负载电流从驱动门流向外电路，称为拉电流负载。
（自己出力）

 

灌电流负载：负载电流从外电路流入驱动门，称为灌电流负载。

（灌酒，灌水）

 

五.不使用的引脚推荐设置为模拟模式

主要从功耗和防干扰考虑。

1.所有用作带上拉电阻输入的I/O 都会在引脚外部保持为低时产生电流消耗。此电流消耗的值可通过使用的静态特性中给出的上拉/ 下拉电阻值简单算出。

2.对于输出引脚，还必须考虑任何外部下拉电阻或外部负载以估计电流消耗。

3.若外部施加了中间电平，则额外的I/O 电流消耗是因为配置为输入的I/O。此电流消耗是由用于区分输入值的输入施密特触发器电路导致。

   除非应用需要此特定配置，否则可通过将这些I/O 配置为模拟模式以避免此供电电流消耗。ADC 输入引脚应配置为模拟输入就是这种情况。

4.任何浮空的输入引脚都可能由于外部电磁噪声，成为中间电平或意外切换。为防止浮空引脚相关的电流消耗，它们必须配置为模拟模式，或内部强制为确定的数字值。

   这可通过使用上拉/ 下拉电阻或将引脚配置为输出模式做到。

故，不使用的引脚设置为模拟模式，悬空即可。