面试高频问题：GPIO的工作模式有哪些？

原创已于 2024-04-12 19:34:08 修改

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#嵌入式硬件 #stm32 #单片机

于 2024-04-09 20:42:32 首次发布

本文详细介绍了GPIO的八种工作模式，包括上拉、下拉、浮空、模拟、推挽、开漏输出以及复用功能，以及在STM32中如何选择和配置IO模式，如STM32的GPIO结构、配置流程和实际应用案例，如蜂鸣器控制和按键消抖处理。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

一、GPIO的八种工作模式

GPIO (General Purpose lnput Output)通用输入输出口可配置为8种输入输出模式

引脚电平:OV~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、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等

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

1、上拉输入：IO口在无输入的情况下，保持高电平。

2、下拉输入：IO口在无输入的情况下，保持低电平。

3、浮空输入：浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

4、模拟输入：输入信号不经施密特触发器直接接入，输入信号为模拟量而非数字量，其余输入方式输入数字量。

5、推挽输出：可以输出高、低电平，连接数字器件；推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源决定。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。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

6、开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20mA以内）。开漏形式的电路有以下几个特点：

（1）利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经上拉电阻、MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

（2）一般来说，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。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（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，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）

（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。

7、复用推挽输出：此时IO受内部外设控制，比如定时器的PWM,比如SPI的MOSI,MISO等。而普通的推挽输出，则IO受ODR控制。

8、复用开漏输出：参考复用推挽。

二、总结在STM32中选用IO模式

STM32中所有GPIO都是挂载在APB2总线上面的。

1、浮空输入GPIO_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1。

2、带上拉输入GPIO_IPU——IO内部上拉电阻输入。

3、带下拉输入GPIO_IPD—— IO内部下拉电阻输入。

4、模拟输入GPIO_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电。

5、开漏输出GPIO_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能。

6、推挽输出GPIO_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的。

7、复用功能的推挽输出GPIO_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）。

8、复用功能的开漏输出GPIO_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）。

三.I/O端口位的基本结构

1.施密特触发器（Schmitt Trigger）

是一种特殊的电路，常用于信号处理和数字电路中。施密特触发器具有两个阈值电压，分别用于触发输入信号的上升沿和下降沿，从而在输入信号的幅度较小或噪声较多时提供稳定的输出。

关键特点包括：
- **双阈值**：施密特触发器具有两个阈值电压，分别用于输入信号的上升沿和下降沿触发。
- **滞回特性**：施密特触发器具有滞回特性，即在输入信号超过上升沿阈值时输出高电平，低于下降沿阈值时输出低电平，从而减少噪声对输出的影响。
- **应用**：常用于消除信号中的噪声、实现信号整形、数字电路中的稳定触发等场景。
- **稳定性**：施密特触发器能够提供稳定的输出，适用于对信号稳定性要求较高的应用。

施密特触发器在数字电路设计和信号处理中具有重要作用，能够有效地处理输入信号的幅度变化和噪声干扰，提供稳定的输出信号。

2.输出的方式有哪些？

数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制。

如果选择输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO输出。写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应得某个端口了。

位设置/清除寄存器：可以单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其它位。

因为这个输出数据寄存器同时控制16个端口号，并且这个寄存器只能整体读写。所以如果想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话，需要特殊的操作，第一种方式，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语言中就是&=和|=的操作。

第二种方式，位设置/清除寄存器，如果对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位置写1即可。剩下不需要操作的位写0，这样它内部就会有电路。

如果对某一位进行清0的操作，就在位清楚寄存器的对应位写1即可。

第三种方式，”位带“区域，和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。这段地业映射了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。

3.GPIO端口配置

1.总共有16个，4个一位，然后总共64个，分为低寄存器和高寄存器

2.高寄存器

3. 输入数据寄存器（高16位没有用到，只用低16位）

4.清除/设置寄存器。高16位进行位清除，低16位进行位设置。

四.配置GPIO口流程

1.开时钟

互联型的设备

其他设备

2.GPIO的库函数

3.配置写入函数

3.1 设置高电平

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

3.2 设置低电平

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

3.3 根据第三个参数的值来设置指定的端口

void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);

3.4 同时对16个端口进行写入操作

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

3.5 具体应用(点亮一个灯)

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "delay.h"

int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=  GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
	
	
	while(1){
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);
		Delay_ms(500);
		GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);
		Delay_ms(300);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,Bit_RESET);
		Delay_ms(200);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,Bit_SET);
		Delay_ms(100);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,(BitAction)0);
		Delay_ms(200);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,(BitAction)1);
		Delay_ms(100);
	}


}

3.6 流水灯

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "delay.h"

int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_8;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=  GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
	
	while(1){
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);
		Delay_ms(500);
		GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);
		Delay_ms(300);
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8);
		Delay_ms(500);
		GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8);
		Delay_ms(300);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,Bit_RESET);
		Delay_ms(200);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,Bit_SET);
		Delay_ms(100);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_8,Bit_RESET);
		Delay_ms(200);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_8,Bit_SET);
		Delay_ms(100);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,(BitAction)0);
		Delay_ms(200);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_9,(BitAction)1);
		Delay_ms(100);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_8,(BitAction)0);
		Delay_ms(200);
		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_8,(BitAction)1);
		Delay_ms(100);

	}

}

五. 蜂鸣器

1.设置引脚

2.配置时钟、引脚初始化

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "delay.h"
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=  GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	while(1){
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);
		Delay_ms(500);
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);
		Delay_ms(300);
	}

}