GPIO的八种工作模式

一、GPIO的八种工作模式
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
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)。

### GPIO八种工作模式及其应用场景 #### 1. 浮空输入(Floating Input) 浮空输入模式下,GPIO引脚没有内部上拉或下拉电阻,因此在没有外部信号驱动时,引脚的电平是不确定的。这种模式适用于需要外部控制电平的情况,例如连接外部传感器或开关[^1]。 #### 2. 上拉输入(Pull-up Input) 上拉输入模式下,GPIO引脚内部连接了一个上拉电阻,使得在没有外部信号驱动时,引脚默认为高电平。这种模式常用于按键检测,当按键未按下时,引脚保持高电平;按键按下时,引脚接地变为低电平[^1]。 #### 3. 下拉输入(Pull-down Input) 下拉输入模式下,GPIO引脚内部连接了一个下拉电阻,使得在没有外部信号驱动时,引脚默认为低电平。这种模式同样适用于按键检测,但逻辑相反,即按键未按下时引脚保持低电平;按键按下时,引脚接高电平变为高电平[^1]。 #### 4. 模拟输入(Analog Input) 模拟输入模式下,GPIO引脚直接连接到ADC(模数转换器),用于读取模拟信号。这种模式常用于传感器数据采集,如温度传感器、光敏传感器等[^2]。 #### 5. 开漏输出(Open-drain Output) 开漏输出模式下,GPIO引脚只能输出低电平或高阻态。要输出高电平,需要外部上拉电阻。这种模式适用于需要多个设备共享同一总线的情况,如I²C总线通信。开漏输出允许多个设备同时连接到同一根线上,而不会造成短路[^3]。 #### 6. 开漏复用输出(Open-drain Alternate Function Output) 开漏复用输出模式下,GPIO引脚不仅支持开漏输出,还可以通过复用功能连接到片内外设,如SPI、I²C等。这种模式常用于需要复用功能且需要开漏输出的应用场景[^3]。 #### 7. 推挽输出(Push-pull Output) 推挽输出模式下,GPIO引脚可以输出高电平和低电平,具有较强的驱动能力。这种模式适用于需要高速切换和较强驱动能力的应用,如LED驱动、继电器控制等。 #### 8. 推挽复用输出(Push-pull Alternate Function Output) 推挽复用输出模式下,GPIO引脚不仅支持推挽输出,还可以通过复用功能连接到片内外设,如UART、SPI、I²C等。这种模式常用于需要复用功能且需要推挽输出的应用场景,如I²C的SCL、SDA线。 ### 应用场景总结 - **浮空输入**:适用于外部信号源已经具有明确电平的场合,如外部传感器。 - **上拉输入/下拉输入**:适用于按键检测、开关检测等需要确定默认电平的场合。 - **模拟输入**:适用于ADC采集,如温度、湿度、电压等模拟信号的测量。 - **开漏输出**:适用于多设备共享总线的通信协议,如I²C。 - **开漏复用输出**:适用于需要复用功能且需要开漏输出的场合,如SPI的MOSI、MISO、SCK、CS线。 - **推挽输出**:适用于需要高速切换和较强驱动能力的场合,如LED、继电器等。 - **推挽复用输出**:适用于需要复用功能且需要推挽输出的场合,如UART、SPI、I²C等通信接口。 ### 示例代码:配置GPIO为推挽输出模式 ```c #include "stm32f4xx.h" void GPIO_Init(void) { // 使能GPIOA时钟 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); // 配置GPIOA的PA5为推挽输出模式 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 设置最大翻转速度为50MHz GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 不使用上拉或下拉 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); } int main(void) { // 初始化GPIO GPIO_Init(); while (1) { // 点亮PA5对应的LED GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 延时 for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); // 熄灭PA5对应的LED GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 延时 for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); } } ``` ###
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