GPIO的上拉、下拉、开漏输出、推挽输出

1、 GPIO 简介
　　GPIO 是通用输入输出端口的简称，简单来说就是 STM32 可控制的引脚， STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。
　　STM32 芯片的 GPIO 被分成很多组，每组有 16 个引脚，如型号为 STM32F4IGT6 型号的芯片有 GPIOA、 GPIOB、 GPIOC 至 GPIOG 共 7 组 GPIO，芯片一共 144 个引脚，其中 GPIO就占了一大部分，所有的 GPIO 引脚都有基本的输入输出功能。
　　最基本的输出功能是由 STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把 GPIO引脚接入到 LED 灯，那就可以控制 LED 灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。
　　最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把 GPIO 引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

2、GPIO 框图剖析

　　通过 GPIO 硬件结构框图，就可以从整体上深入了解 GPIO 外设及它的各种应用模式。
　　该图从最右端看起，最右端就是代表 STM32 芯片引出的 GPIO 引脚，其余部件都位于芯片内部。
　　2.1 、基本结构分析
　　下面我们按图中的编号对 GPIO 端口的结构部件进行说明。
　　（1）保护二极管及上、下拉电阻
　　引脚的两保护个二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT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。尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。具体电压、电流范围可查阅《STM32F4xx 英文数据手册》。
　　上拉、下拉电阻， 从它的结构我们可以看出， 通过上、下拉对应的开关配置，我们可以控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平，开启下拉的时候引脚电压为低电平，这样可以消除引脚不定状态的影响。如引脚外部没有外接器件，或者外部的器件不干扰该引脚电压时， STM32 的引脚都会有这个默认状态。
　　也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式，配置成这个模式时，直接用电压表测量其引脚电压为 1 点几伏，这是个不确定值。所以一般来说我们都会选择给引脚设置“上拉模式”或“下拉模式”使它有默认状态。
　　STM32 的内部上拉是“弱上拉”，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。
　　通过“上拉/下拉寄存器 GPIOx_PUPDR”控制引脚的上、下拉以及浮空模式。
　　（2）P-MOS 管和 N-MOS 管
　　GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。 先看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使 GPIO 具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。
　　所谓的推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后， N-MOS 管导通， P-MOS 关闭，对外输出低电平。
　　当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通， P 管负责灌电流， N 管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3伏，具体参考图 8-2，它是推挽输出模式时的等效电路。

　　而在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 0，低电平，则 P-MOS 管关闭， N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平)时，则 P-MOS 管和 N-MOS 管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻，参考图 8-3 中等效电路。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平， 0 伏。

　　推挽输出模式一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。在 STM32 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
　　开漏输出一般应用在 I2C、 SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻， 上拉电源为 5 伏， 并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出 5 伏的电平，具体见图 8-4。

　　（3）输出数据寄存器
　　前面提到的双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。
　　（4）复用功能输出
　　“复用功能输出”中的“复用”是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制，此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与 GPIO 本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
　　例如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。
　　（5）输入数据寄存器
　　看 GPIO 结构框图的上半部分，它是 GPIO 引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、 1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器 GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。
　　（6）复用功能输入
　　与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输出模式”时， GPIO 引脚的信号传输到STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。
　　同样，如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，使 USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。
　　（7） 模拟输入输出
　　当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有 0、 1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当 GPIO 引脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能， DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构了，在 GPIO 结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。
　　同时，当 GPIO 用于模拟功能时(包括输入输出)，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使在寄存器配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出。
　　2.2、GPIO 工作模式
　　总结一下， 由 GPIO 的结构决定了 GPIO 可以配置成以下模式：
　　（1）输入模式(上拉/下拉/浮空)
　　　　在输入模式时， 施密特触发器打开， 输出被禁止。 数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期更新一次，可通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。 其中 AHB1 的时钟如按默认配置一般为 180MHz。
　　　　用于输入模式时，可设置为上拉、下拉或浮空模式。
　　（2）输出模式(推挽/开漏，上拉/下拉)
　　　　在输出模式中， 输出使能，推挽模式时双 MOS 管以方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR 可控制 I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有 N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制 I/O 输出高阻态或低电平。 输出速度可配置，有 2MHz\25MHz\50MHz\100MHz 的选项。此处的输出速度即 I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。
　　　　此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 可读取I/O 的实际状态。
　　　　用于输出模式时，可使用上拉、 下拉模式或浮空模式。但此时由于输出模式时引脚电平会受到 ODR 寄存器影响，而 ODR 寄存器对应引脚的位为 0，即引脚初始化后默认输出低电平，所以在这种情况下，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。
　　（3）复用功能(推挽/开漏，上拉/下拉)
　　　　复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
　　　　用于复用功能时，可使用上拉、 下拉模式或浮空模式。同输出模式，在这种情况下，初始化后引脚默认输出低电平，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。
　　（4） 模拟输入输出
　　　　模拟输入输出模式中，双 MOS 管结构被关闭，施密特触发器停用，上/下拉也被禁止。其它外设通过模拟通道进行输入输出。
　　　　通过对 GPIO 寄存器写入不同的参数，就可以改变 GPIO 的应用模式，再强调一下，要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F4xx 参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO 外设中，通过设置“模式寄存器 GPIOx_MODER”可配置 GPIO 的输入/输出/复用/模拟模式，“输出类型寄存器 GPIOx_OTYPER”配置推挽/开漏模式，配置“输出速度寄存器 GPIOx_OSPEEDR”可选 2/25/50/100MHz 输出速度，“上/下拉寄存器 GPIOx_PUPDR”可配置上拉/下拉/浮空模式，各寄存器的具体参数值见表 8-1。