【STM32CubeMX】STM32 基础外设（一）——IO口

原创已于 2025-08-10 17:15:40 修改 · 1.4k 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2025-08-10 17:04:32 首次发布

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Hello，大家好。接下来我会更新一篇合集，把常见的stm32的外设配置，以及实际工程中自己遇到的问题分享在这一篇合集之中，希望能对大家有所帮助。

1.GPIO基础概念

GPIO（General-Purpose Input/Output）即通用输入输出端口，是嵌入式系统和微控制器中用于与外部设备交互的接口。它可以通过软件配置为输入或输出模式，实现数字信号的读取或驱动。

主要特性

双向性：可配置为输入（读取外部信号）或输出（驱动外部设备）。
数字信号：仅处理高电平（通常为1/3.3V/5V）或低电平（0V）。
无专用协议：直接通过电平变化传输数据，需自行定义通信逻辑。

工作模式

输入模式
用于读取外部信号状态，常见子模式：

浮空输入（无上下拉电阻，易受干扰）。
上拉/下拉输入（内置电阻稳定默认电平）。

输出模式
用于控制外部设备，常见子模式：

推挽输出（可驱动高低电平，常用模式）。
开漏输出（仅可拉低电平，需外接上拉电阻）

典型应用场景

控制LED、继电器等简单外设。
读取按键、开关状态。
模拟I2C、SPI等协议（需软件实现时序）。

单片机内部的io结构如下图所示：

每一个单片机的io都被分为了两部分，一个是输入一个是输出。

下面我们来看看具体的代码参数配置。

// 设置PA5为推挽输出
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

以上代码是对最基础的io功能做了配置，将PA5设置为输出模式的推挽输出。

看到这里可能很多入门者会对不同的io状态存在疑惑，我来详细解答以下各个io模式下的区别：

一、输入模式

输入模式用于读取外部信号的状态（高电平或低电平）。STM32 提供 4 种输入配置：

浮空输入
- 原理： 内部既不接上拉电阻也不接下拉电阻。引脚完全“悬空”，电平状态完全由外部电路决定。
- 区别： 电平状态最易受外部噪声干扰。如果外部断开或处于高阻态，引脚电平不确定。
- 应用：
  - 连接外部已经自带确定上拉或下拉的器件（如 I2C 总线上的上拉电阻）。
  - 连接开漏输出的设备（如 I2C 的 SDA/SCL）。
  - 不推荐用于按键等直接连接，因为悬空时电平不确定会导致误触发。
- 配置代码示例 (HAL库)： GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
上拉输入
- 原理： 内部通过一个电阻（通常几十千欧）连接到 VDD (电源电压)。当外部没有驱动或驱动为高阻态时，引脚被拉至高电平。
- 区别： 内置上拉电阻，默认高电平。外部低电平信号需要能“战胜”这个上拉电阻才能将引脚拉低。
- 应用：
  - 按键检测： 按键一端接地，另一端接GPIO。按键未按下时，上拉使GPIO为高；按键按下时，GPIO被直接拉到地变为低。
  - 需要默认高电平状态，且外部驱动能力较弱时。
- 配置代码示例： GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
下拉输入
- 原理： 内部通过一个电阻（通常几十千欧）连接到 VSS (地)。当外部没有驱动或驱动为高阻态时，引脚被拉至低电平。
- 区别： 内置下拉电阻，默认低电平。外部高电平信号需要能“战胜”这个下拉电阻才能将引脚拉高。
- 应用：
  - 按键检测（反逻辑）： 按键一端接VDD，另一端接GPIO。按键未按下时，下拉使GPIO为低；按键按下时，GPIO被直接拉到VDD变为高。
  - 需要默认低电平状态，且外部驱动能力较弱时。
模拟输入
- 原理： 信号直接连接到内部的 ADC（模数转换器）或 DAC（数模转换器，如果支持）模块。关闭了施密特触发器、上拉/下拉电阻和输出驱动器。目的是让外部模拟电压尽可能无失真地进入ADC。
- 区别： 不能用作数字输入（读取 IDR 寄存器无意义）。引脚呈现高阻态。仅用于 ADC 采样或 DAC 输出（当配置为模拟模式时，DAC 输出自动使能，无需配置为输出模式）。
- 应用：
  - 连接传感器输出（如温度传感器、光敏电阻分压、麦克风前置放大输出等）进行 ADC 采样。
  - 使用 DAC 输出模拟电压（此时引脚是输出模拟信号）。
- 配置代码示例： GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; (上拉/下拉配置在此模式下无效)

输入模式关键点总结：

浮空、上拉、下拉用于数字信号输入。
模拟输入用于模拟信号输入（或 DAC 输出）。
上拉/下拉电阻提供默认状态并增强抗噪能力，特别适合按键等应用。
施密特触发器存在于所有数字输入模式（模拟模式除外），用于整形输入波形，提高抗噪性并产生干净的逻辑电平。

二、输出模式

输出模式用于驱动外部负载或向其他器件发送信号。STM32 提供 2 种主要的输出驱动器结构，每种又可以配置不同的速度：

开漏输出
- 原理：
  - 内部只有 N-MOS 管连接到地。
  - 当输出逻辑 0 时，N-MOS 导通，引脚被强下拉到地。
  - 当输出逻辑 1 时，N-MOS 关断，引脚既不拉高也不拉低（高阻态）。需要外部上拉电阻才能将引脚拉到高电平（通常是 VDD 或另一个电压）。
- 特点/区别：
  - 不能主动输出高电平。 高电平依赖外部上拉。
  - 具有“线与”特性：多个开漏输出连接到同一总线时，只要有一个输出 0，总线就是 0；只有所有都输出 1（高阻态），总线才被外部上拉拉成 1。这是 I2C、SMBus 等总线的基础。
  - 可以方便地实现电平转换：外部上拉电阻可以接到一个比芯片 VDD 更高的电压（前提是引脚本身支持该电压，如 5V-tolerant 引脚）。例如，STM32 (3.3V) 可以通过开漏输出+外部 5V 上拉与 5V 器件通信。
  - 驱动能力（拉低电流）由芯片决定。
- 应用：
  - I2C (SDA, SCL) 总线： 利用线与特性进行多主仲裁。
  - 需要电平转换的场合（驱动 5V 逻辑器件）。
  - 驱动电流较大的器件（如 LED），但高电平仍需外部上拉（可能结合其他电路）。
  - 需要线与逻辑的应用。
- 配置代码示例： GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; (外部上拉是必须的！) 或 GPIO_PULLUP (如果内部上拉足够强且电压合适，但通常建议用外部电阻)。
推挽输出
- 原理：
  - 内部包含一个 P-MOS 管连接到 VDD 和一个 N-MOS 管连接到 VSS。
  - 当输出逻辑 0 时，P-MOS 关断，N-MOS 导通，引脚被强下拉到地。
  - 当输出逻辑 1 时，P-MOS 导通，N-MOS 关断，引脚被强上拉到 VDD。
- 特点/区别：
  - 能主动输出强高电平和强低电平，驱动能力强。
  - 高低电平切换速度快。
  - 输出阻抗低（在高低电平时）。
  - 不具备线与特性。直接将两个推挽输出短接并试图驱动不同电平会导致短路（大电流），可能损坏芯片！