stm32学习笔记之GPIO功能框图分析

　　GPIO 是通用输入输出端口的简称，简单来讲就是STM32 可控制的引脚，STM32 芯片的GPIO 引脚与外部设备链接起来，从而实现与外部通信、控制以及数据采集的功能。STM32 芯片的GPIO被分红不少组，每组有16 个引脚，如型号为STM32F103VET6 型号的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC 至GPIOE 共5 组GPIO，芯片一共100 个引脚，其中GPIO就占了一大部分，全部的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。

　　最基本的输出功能是由STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入到LED 灯，那就能够控制LED 灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就能够经过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把GPIO 引脚链接到按键，经过电平高低区分按键是否被按下。

　　GPIO 框图剖析

　　

 

　　经过GPIO 硬件结构框图，就能够从总体上深刻了解GPIO 外设及它的各类应用模式。该图从最右端看起，最右端就是表明STM32 芯片引出的GPIO 引脚，其他部件都位于芯片内部。

　　基本结构分析

　　下面咱们按图中的编号对GPIO端口的结构部件进行说明。

　　1. 保护二极管及上、下拉电阻

　　引脚的两个保护二级管能够防止引脚外部太高或太低的电压输入，当引脚电压高于VDD 时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS 时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片致使芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么致使芯片烧坏，必需要加大功率及隔离电路驱动。

　　2. P-MOS 管和N-MOS 管

　　GPIO 引脚线路通过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路通过一个由P-MOS 和N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使GPIO具备了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

　　所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS 管的工做方式来命名的。在该结构中输入高电平时，通过反向后，上方的P-MOS 导通，下方的N-MOS 关闭，对外输出高电平;而在该结构中输入低电平时，通过反向后，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P 管负责灌电流，N 管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提升。推挽输出的低电平为0 伏，高电平为3.3伏，它是推挽输出模式时的等效电路。

　　

 

　　而在开漏输出模式时，上方的P-MOS 管彻底不工做。若是咱们控制输出为0，低电平，则P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为1 (它没法直接输出高电平)时，则P-MOS 管和N-MOS 管都关闭，因此引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻。它具备“线与”特性，也就是说，如有不少个开漏模式引脚链接到一块儿时，只有当全部引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就至关于短路接地，使得整条线路都为低电平，0 伏。

　　推挽输出模式通常应用在输出电平为0 和3.3 伏并且须要高速切换开关状态的场合。在STM32 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，咱们都习惯使用推挽输出模式。

　　开漏输出通常应用在I2C、SMBUS 通信等须要“线与”功能的总线电路中。除此以外，还用在电平不匹配的场合，如须要输出5 伏的高电平，就能够在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5 伏，而且把GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5 伏的电平。

　　

 

　　

 

　　3. 输出数据寄存器

　　前面提到的双MOS 管结构电路的输入信号， 是由GPIO“ 输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，所以咱们经过修改输出数据寄存器的值就能够修改GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”能够经过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

　　4. 复用功能输出

　　“复用功能输出”中的“复用”是指STM32 的其它片上外设对GPIO 引脚进行控制，此时GPIO 引脚用做该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO自己的数据据寄存器都链接到双MOS 管结构的输入中，经过图中的梯形结构做为开关切换选择。

　　例如咱们使用USART 串口通信时，须要用到某个GPIO引脚做为通信发送引脚，这个时候就能够把该GPIO引脚配置成USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

　　1 // GPIOB 16 个IO 所有输出 0XFF

　　2 GPIOB->ODR = 0XFF;

　　5. 输入数据寄存器

　　看GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚通过内部的上、下拉电阻，能够配置成上/下拉输入，而后再链接到施密特触发器，信号通过触发器后，模拟信号转化为0、1 的数字信号，而后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，经过读取该寄存器就能够了解GPIO引脚的电平状态。

　　1 // 读取GPIOB 端口的16 位数据值2uint16_ttemp;3 temp = GPIOB->IDR;

　　6. 复用功能输入

　　与“复用功能输出”模式相似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到

　　STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。

　　一样，如咱们使用USART 串口通信时，须要用到某个GPIO引脚做为通信接收引脚，这个时候就能够把该GPIO 引脚配置成USART 串口复用功能，使USART 能够经过该通信引脚的接收远端数据。

　　7. 模拟输入输出

　　当GPIO 引脚用于ADC 采集电压的输入通道时，用做“模拟输入”功能，此时信号是不通过施密特触发器的，由于通过施密特触发器后信号只有0、1 两种状态，因此ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器以前。相似地，当GPIO 引脚用于DAC 做为模拟电压输出通道时，此时做为“模拟输出”功能，DAC 的模拟信号输出就不通过双MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。

　　GPIO 工做模式

　　总结一下，由GPIO的结构决定了GPIO能够配置成如下模式：

　　

 

　　(在固件库中，GPIO总共有8 种细分的工做模式，大体归类为如下三类)

　　1. 输入模式(模拟/浮空/上拉/下拉)

　　在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可经过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O 状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不肯定的，彻底由外部的输入决定，通常接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC 采集。

　　2. 输出模式(推挽/开漏)

　　在输出模式中，推挽模式时双MOS 管以轮流方式工做，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS 管工做，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的选项。此处的输出速度即I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，若是功耗要求不严格，把速度设置成最大便可。

　　在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，经过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O 的实际状态。

　　3. 复用功能(推挽/开漏)

　　复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工做在开漏及推挽模式，可是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR 无效;输入可用，经过输入数据寄存器可获取I/O 实际状态，但通常直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

　　经过对GPIO 寄存器写入不一样的参数，就能够改变GPIO 的工做模式，再强调一下，要了解具体寄存器时必定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO 外设中，控制端口高低控制寄存器CRH和CRL 能够配置每一个GPIO的工做模式和工做的速度，每4 个位控制一个IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低8 位，具体的看CRH 和CRL 的寄存器描述。

　　

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