GPIO的8种工作模式

目录

1.前言

2.I/O端口位的基本结构

3.GPIO的工作模式（8种）
3.1 输入模式 - 浮空输入
3.2 输入模式 - 输入上拉
3.3 输入模式 - 输入下拉
3.4 输入模式 - 模拟输入
3.5 输出模式 - 开漏输出
3.6 输出模式 - 开漏复用功能
3.7 输出模式 - 推挽式输出
3.8 输出模式 - 推挽式复用功能

4.推挽输出和开漏输出的区别简述
4.1 推挽输出
4.2 开漏输出

1.前言

笔者在b站学习【正点原子】 手把手教你学STM32单片机教学视频 嵌入式 之 F103-基于新战舰V3/精英/MINI板 的时候，发现up主所述的GPIO工作原理较为详细。在此，我将 STM32中文参考手册（免费的官网就能下载，还有人在优快云收费？？？） 与 up主【正点原子官方】的视频中所描述的GPIO工作原理，做一个书面化的整理（仅用于学习，错误之处还请大家指正）。

首先，在此介绍一个简单的概念，即 电平 通常用高低来描述，电压 通常用大小描述。

2.I/O端口位的基本结构

3.GPIO的工作模式（8种）

GPIO的8种工作模式： 包括 4种 输入模式 和 4种 输出模式

◆ 4种输入模式：
① 输入浮空 GPIO_Mode_IN_FLOATING
② 输入上拉 GPIO_Mode_IPU
③ 输入下拉 GPIO_Mode_IPD
④ 模拟输入 GPIO_Mode_AIN

◆ 4种输出模式：
① 开漏输出 GPIO_Mode_Out_OD
② 开漏复用功能 GPIO_Mode_AF_OD
③ 推挽式输出 GPIO_Mode_Out_PP
④ 推挽式复用功能 GPIO_Mode_AF_PP

3.1 输入模式 - 浮空输入

图一 浮空输入

如图中黄色阴影部分所示 ，表示在此模式下由 ①~④ 的电路为通路。首先，由 ① I/O端口 输入电平（高或低），经过两只保护二极管后，到达 ② TTL施密特触发器（此时两个开关为断开状态）。其次，电平再由 ② TTL施密特触发器 将电平直接传送到 ③ 输入数据寄存器 中。最后，再通过 ③ 输入数据寄存器 传送至 ④ CPU 中。此时 ④ CPU 便可通过 ③ 输入数据寄存器 等读取到 ① I/O端口 处的高或低电平的情况。

简言之，浮空模式下CPU可以读取到外部输入的高或低电平。

3.2 输入模式 - 输入上拉

图二 输入上拉

浮空模式 和 输入上拉模式 的主要区别在于， 输入上拉模式 中上拉电阻（连接VDD）的开关闭合（图二中处于黄色区域的上拉电阻的开关闭合），上拉电阻的大小约为 30~50kΩ。

3.3 输入模式 - 输入下拉

图三 输入下拉

同理 ，输入下拉模式 和 浮空模式 、 输入上拉模式 的主要区别在于 输入下拉模式 中下拉电阻（连接VSS）的开关闭合（图二中处于黄色区域的下拉电阻的开关闭合）。

3.4 输入模式 - 模拟输入

图四 模拟输入

如图中黄色阴影部分所示 ，此模式下 输入上拉 和 输入下拉 失效。该模式可将 外部电压（0~3.3V）转换为 电平（AD转换）。

3.5 输出模式 - 开漏输出

图五 开漏输出

如图中黄色阴影部分所示 ，首先由 ① CPU 向 位设置/清除寄存器 中写入 1/0，然后 它 将电平的高低映射到 输出数据寄存器 中。随后再到 ② 输出控制电路 中， 若 ② 输出控制电路 接收到 1（高电平），则 ③ N-MOS管 截止。此时 ④ I/O端口 处的电平不是通过接收到 1（高电平）的 ② 输出控制电路 和截止的 ③ N-MOS管 来控制的，而是通过外部的 “上拉” 或 “下拉” 来决定（图五中未画出）。若 ② 输出控制电路 接收到 0（低电平），则 ③ N-MOS管 导通，此时 ④ I/O端口 处的电平被 ③ N-MOS管 拉低为低电平。

在输出状态下，④ I/O端口 的电平还可通过 ④ I/O端口 → ⑥ 输入数据寄存器 → ⑦ CPU读取 的线路读取（此状态在 ② 输出控制电路 接收到高电平“1”时启用）。

3.6 输出模式 - 开漏复用功能

图六 开漏复用功能

开漏复用功能 和 开漏输出 的区别在于，开漏复用功能 的 ② 输出控制电路 处的电平来源不同（开漏复用功能 由 ① 复用功能输出 提供，来自“片上外设模块”，即“外设”）。

同 开漏输出 相同的是，若 开漏复用功能 中的 ② 输出控制电路 接收到 1（高电平），则 ③ N-MOS管 截止。此时 ④ I/O端口 处的电平不是通过接收到 1（高电平）的 ② 输出控制电路 和截止的 ③ N-MOS管 来控制的，而是通过外部的 “上拉” 或 “下拉” 来决定（图六中未画出）。若 ② 输出控制电路 接收到 0（低电平），则 ③ N-MOS管 导通，此时 ④ I/O端口 处的电平被 ③ N-MOS管 拉低为低电平。

3.7 输出模式 - 推挽式输出

图七 推挽式输出

推挽式输出 的控制输出寄存器和 开漏输出 是相同的。但 推挽式输出 中的 ② 输出控制电路 接收到 1（高电平）时，③ P-MOS管 导通、③ N-MOS管 截止，此时1（高电平）将通过 ③ P-MOS管 传输至 ④ I/O端口 并将1（高电平）输出。相反 推挽式输出 中的 ② 输出控制电路 接收到 0（低电平）时，③ P-MOS管 截止、③ N-MOS管 导通，此时0（低电平）将通过③ N-MOS管传输至 ④ I/O端口 并将0（低电平）输出。

在输出状态下，④ I/O端口 的电平也可通过 ④ I/O端口 → ⑥ 输入数据寄存器 → ⑦ CPU读取 的线路读取。

3.8 输出模式 - 推挽式复用功能

图八 推挽式复用功能

推挽式输出 和 推挽式复用功能 的主要区别在于，推挽式输出 的 ② 输出控制电路 处的电平来源不同（推挽式复用功能 由 ① 复用功能输出 提供，来自“片上外设模块”，即“外设”）。

4.推挽输出和开漏输出的区别简述

4.1推挽输出：

可以输出强高低电平，连接数字器件。推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、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。

4.2开漏输出：

只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。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）。

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