【自学嵌入式：stm32单片机】GPIO输出

目录

• GPIO输出
  • GPIO基本结构
  • GPIO位结构
    • 输入部分
    • 输出部分
  • GPIO的8种工作模式
    • 浮空/上拉/下拉输入
    • 模拟输入
    • 开漏/推挽输出
    • 复用开漏/推挽输出
  • 端口配置寄存器
  • 端口输入数据寄存器（IDR）
  • 端口输出数据寄存器（ODR）
  • 端口位设置/清除寄存器（BSRR）
  • 端口位清除寄存器（BRR）
  • 端口配置锁定寄存器（LCKR）

GPIO输出

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口

• 可配置为8种输入输出模式
• 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V
• 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制器蜂鸣器、模拟协议输出时序灯
• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

GPIO基本结构

在STM32种，所有的GPIO都挂载在APB2外设总线上
每个GPIO外设总共有16个引脚，下标从0到15，GPIOA的第0号引脚，我们一般把它称作PA0，接着第1号就是PA1，然后PA2，以此类推，一直到PA15，GPIOB也算一样，从PB0，一直到PB15，这样来命名，在每个GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器这些东西，寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，这样就能完成输出电平和读取电平的功能，这个寄存器的每一位对应一个引脚，其中输出寄存器写1，对应的引脚就会输出高电平，写0，就输出低电平，输入寄存器读取为1，就证明对应的端口目前是高电平，读取为0，就是低电平，STM32是32位单片机，它每个寄存器都是32位的，但是这个端口只有16位，所以这个GPIO寄存器只有低16位对应的有端口，高16位是没有用到的，驱动器是用来增加信号的驱动能力，寄存器只负责存储数据，如果需要点灯这样的操作，需要驱动器提供更大的电路驱动能力

GPIO位结构

输入部分

I/O引脚接了两个二极管，是对输入电压进行限制的，上面VDD接3.3V，下面VSS 0V，如果输入电压比3.3V高，那上方的二极管就会导通，输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样可以避免过高的电压对电路有伤害，如果输入电压比0V还要低（相对于VSS的电压，可能有负电压），那下方的二极管就会导通，电流会从VSS直接流出去，而不会从内部电路汲取电流，也是可以保护内部电路的，如果输入电压在0~3.3V之间，那两个二极管均不会导通，这时二极管对电路没有影响，这就是保护二极管的用途。

接下来到了这个连接了一个上拉电阻和一个下拉电阻的线的地方，上拉电阻至VDD，下拉电阻至VSS，这个开关是可以通过程序进行配置的，如果上面导通、下面断开，就是上拉输入模式；如果下面导通、上面断开，就是下拉输入模式，如果两个都断开就是浮空输入模式，这个上拉和下拉是为了给输入提供一个默认的输入电平的，因为对于一个数字端口，输入不是高电平就是低电平，如果输入引脚什么都不接，这时输入就会处于一种浮空状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变，为了避免引脚悬空导致的输入数据不确定，我们就需要在这里加上上拉或者下拉电阻，如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可以称作是默认为高电平的输入模式，下拉也同理，是默认为低电平的输入模式，这里上拉电阻和下拉电阻的阻值都是比较大的，
是一种弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作。

肖特触发器应该是翻译错误，实际上是施密特触发器，这个施密特触发器是对输入电压进行整形的，它的执行逻辑是，如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平，如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平，因为引脚是外部输入，实际情况下信号可能会失真，会夹在一个波动的高低变化电平信号，如果没有施密特触发器，它很有可能会产生干扰和误判，有了施密特触发器，它会设定一个阈值上限和下限，如下图：

高于上线输出高，低于下限输出低，这样施密特触发器的输出就是首先是低于下限，输出低，然后高于上限，输出立即变为高，前一半信号有低于上限的波动，但是由于它不低于下限，所以并不会变化，而是继续维持高电平，右侧信号同理
经过施密特触发器整形的信号如下（蓝色）：

然后经过施密特触发器整形的波形可以输入输入数据寄存器，我们再用程序读取输入输出寄存器对应某一位的数据，就可以知道端口的输入电平了。

最后上面还有两路线路（至片上外设），这些就是连接到片上外设的一些端口，其中有模拟输入，这个是连接到ADC上的，因为iADC需要接收模拟量，因为模拟输入需要读取模拟量，这个是接在施密特触发器前面的，复用功能输入接比如串口的输入引脚等，这根线接收的是数字量，所以接在施密特触发器后面。

输出部分

数字部分由输出数据寄存器或片上外设控制两种方式控制，通过这个数据选择器接到了输出控制部分，如果选择通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO口输出，写这个数据寄存器的某一位就可操作某一个端口，左边还有个叫做位设置/清除寄存器，这个可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位，因为这个输出数据寄存器同时控制16个端口，并且输出数据寄存器只能整体读写（不能按位寻址），所以想要单独控制某一位，需要一些特殊的操作方式：

• 第一种方式是先读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去在C语言种就是&=和|=的操作，这种方法比较麻烦，效率不高，对IO口的操作而言不太合适；
• 第二种方式是，如果我们要对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样它内部就会有电路自动将输出数据寄存器对应位置为1，而剩下写0的位则保持不变，并且此操作一步到位；如果想对某一位进行清0的操作，就在清除寄存器的对应位写1即可，标准库函数也是用这种方式操作。
• 第三种方式是，读取stm32种的“位带”区域，这个位带的作用就跟51单片机的位寻址作用差不多，在stm32中，专门分配的有一段地址区域，这段地址映射了RAM和外设寄存器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位。
  

接下来输出控制之后就接到了两个MOS管，上面是P-MOS，下面是N-MOS，这个MOS管就是一种电子开关，用信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口街道VDD或者VSS，在这里可以选择推挽、开漏或关闭三种输出方式，在推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效，数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，就是输出高电平，数据寄存器为0时，上管断开，下管导通，输出直接接到VSS，就是输出低电平，这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式也可以叫强推输出模式，在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都由STM32说的算；在开漏输出模式下，这个P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作，数据寄存器为1时，下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻模式，数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平，这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的，开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，就是使用的开漏模式，在多机通信的情况下，这种模式可以避免设备的相互干扰，另外，开漏模式可以输出5V的电平信号，比如在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源，如下图

当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS，当输出高电平时由外部的上拉电阻拉高至5V，这样可以输出5V的电平信号，用于兼容一些5V的设备，这就是开漏输出的主要用途。
剩下的一种状态就是关闭，这个是当引脚配置为输入模式的时候，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号控制。

GPIO的8种工作模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式

模式名称	性质	特征
浮空输入	数字输入	可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定，使用浮空输入时，端口一定要接上一个连续的驱动源，不能出现悬空的状态
上拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平
下拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平
模拟输入	模拟输入	GPIO无效，引脚直接接入内部ADC，它是ADC模数转换器的专属配置
开漏输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平为高阻态，没用驱动能力，低电平接VSS
推挽输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS
复用开漏输出	数字输出	由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS
复用推挽输出	数字输出	由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS

浮空/上拉/下拉输入

输入模式下，输出驱动器是断开的，端口只能输入而不能输出

上面这两个上拉电阻的开关就是上拉输入、下拉输入和浮空输入，然后输入通过施密特触发器进行波形整形后，连接到输入数据寄存器，另外，右边这个输入保护这里，上面写的是VDD或者VDD_FT，VDD_FT是对5V容忍IO脚是特殊的，它与VDD不同，容忍5V的引脚，它的上边保护二极管要做一下处理，要不然这里直接接VD 3.3V的话，外部再接入5V电压就会导致上边二极管开启，并且产生比较大的电流，这个是不太妥当的，

模拟输入

这里输出是断开的，输入的施密特触发器也算关闭的无效状态，整个GPIO的输出部分都是没用的，只剩一根线


所以，当我们使用ADC的时候，将引脚配置为模拟输入就行了，其他时候用不到模拟输入

开漏/推挽输出

这时候，输出是由输出数据寄存器控制的，这个P-MOS如果无效，就是开漏输出，如果P-MOS和N-MOS都有效，就是推挽输出，在输出模式下，输入模式是有效的，但是在输入模式下，输出都是无效的，这是因为，一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入，所以当配置成输出模式的时候，内部也可以顺便输入以下，这个也算没啥影响的/

复用开漏/推挽输出

可以看到通过用的输出这里是没用连接的，引脚的控制权转移到了片上外设，由片上外设来控制

在输入部分，片上外设也可以读取引脚的电平，同时普通的输入也是有效的，顺便接收以下电平信号，其实在GPIO的这8种模式种，除了模拟输入这个模式会关闭数字的输入功能，在其他的7个模式中，所有的输入都是有效的

端口配置寄存器

这是一个64位寄存器，一个是端口配置低寄存器，一个是端口配置高寄存器

输出速度一般要求不高，配置50Mhz即可

端口输入数据寄存器（IDR）

这里面低16位对应16个引脚，高16位没有使用

端口输出数据寄存器（ODR）

同样，低16位对应16个引脚，高16位没有使用

端口位设置/清除寄存器（BSRR）

这个寄存器高16位进行位清除的，低16位是进行位设置的

端口位清除寄存器（BRR）

这个寄存器的低16位和端口位设置/清除寄存器高16位功能是一样的，进行位清除；这个寄存器主要是为了方便操作设置的，如果只单一进行位设置或者位清除，位设置的时候用端口位设置/清除寄存器（BSRR），位清除时，用下面端口位清除寄存器（BRR），因为在设置和清除时，使用的是低16位数据，这样方便一些，如果对多个端口同时进行位设置和位清除，那只使用位设置/清除寄存器（BSRR），如果对信号的同步性要求不高，先位设置再位清除也是没问题的。

端口配置锁定寄存器（LCKR）

它可以对端口进行锁定，防止修改