在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，STM32 的 GPIO（通用輸入輸出）具有至關(guān)重要的作用，它可以被配置為多種模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。這些模式包括輸入浮空、輸入上拉 / 下拉、模擬、推挽和開漏輸出等。在輸入模式里，上拉和下拉電阻的作用十分關(guān)鍵，它們能夠確保邏輯電平的確定性，避免信號(hào)的不穩(wěn)定。而輸出模式分為推挽和開漏，推挽模式使用兩個(gè)晶體管（一個(gè) PMOS 和一個(gè) NMOS）來驅(qū)動(dòng)輸出，能夠快速地將輸出驅(qū)動(dòng)到適當(dāng)?shù)碾娖?；開漏模式則需要外部上拉電阻，在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。復(fù)用功能允許 GPIO 與多個(gè)外設(shè)共享，大大提高了引腳的利用率；模擬配置則用于 ADC、DAC 等模擬信號(hào)操作，為處理模擬信號(hào)提供了便利。配置這些模式涉及到 GPIOx_PUPDR、GPIOx_OTYPER 等寄存器。

GPIO 等效原理圖

STM32 產(chǎn)品集成了三個(gè)主要的 GPIO 基本結(jié)構(gòu)，分別是三伏兼容（縮寫為 TC）、三伏容限（縮寫為 TT）和五伏容限（縮寫為 FT）。圖 1 給出了等效的 GPIO 圖結(jié)構(gòu)，圖 2 給出了 TT 或 FT 等效的 GPIO 圖結(jié)構(gòu)。

輸入模式配置

當(dāng) STM32 器件 I/O 引腳配置為輸入時(shí)，有三種選項(xiàng)可供選擇：

• 帶內(nèi)部上拉的輸出：在 STM32 器件中使用上拉電阻，能確保在浮動(dòng)輸入信號(hào)的情況下具有良好定義的邏輯電平。根據(jù)應(yīng)用要求，還可以使用外部上拉電阻。
• 帶內(nèi)部下拉的輸入：使用下拉電阻，同樣是為了確保在浮動(dòng)輸入信號(hào)時(shí)邏輯電平的確定性。也可根據(jù)需要使用外部下拉電阻。
• 浮空輸入：信號(hào)電平跟隨外部信號(hào)。但當(dāng)沒有外部信號(hào)時(shí)，施密特觸發(fā)器會(huì)在由外部噪聲引起的邏輯電平之間隨機(jī)切換，這會(huì)增加總體消耗。

編程為輸入時(shí)，I/O 端口具有以下特征：

• 輸出緩沖器被關(guān)閉；
• 施密特觸發(fā)器輸入被打開；
• 根據(jù) GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否激活上拉或下拉電阻；
• 輸入數(shù)據(jù)寄存器每隔 1 個(gè) AHB 時(shí)鐘周期對(duì) I/O 引腳上的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采樣；
• 通過讀取 GPIOx_IDR 輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取 I/O 狀態(tài)。

輸出模式配置

當(dāng) STM32 器件 I/O 引腳配置為輸出時(shí)，有兩種選項(xiàng)：

• 推挽輸出模式：推挽輸出使用兩個(gè)晶體管（一個(gè) PMOS 和一個(gè) NMOS）。當(dāng)輸出必須驅(qū)動(dòng)為高電平狀態(tài)時(shí)，頂部晶體管（PMOS）導(dǎo)通；當(dāng)輸出必須驅(qū)動(dòng)為低電平狀態(tài)時(shí)，底部晶體管（NMOS）導(dǎo)通。兩個(gè)晶體管的控制通過 GPIO 端口輸出類型寄存器（GPIOx_OTYPER）完成。將輸出寄存器（GPIOx_ODR）的相關(guān)位寫 0 可激活 NMOS 晶體管，強(qiáng)制 I/O 引腳接地；寫 1 可激活 PMOS 晶體管，強(qiáng)制 I/O 引腳接通 VDD。
• 開漏輸出模式：開漏輸出模式不使用 PMOS 晶體管，而是需要一個(gè)上拉電阻。當(dāng)輸出必須變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，必須關(guān)閉 NMOS 晶體管，僅通過上拉電阻將電平拉高。該上拉電阻可以是內(nèi)部的，典型值為 40kOhm，并通過 GPIO 端口上拉 / 下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）激活。

編程為輸出時(shí)，I/O 端口具有以下特征：

• 可將輸出緩沖器配置為開漏或推挽模式；
• 施密特觸發(fā)器輸入被打開；
• 根據(jù) GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否激活上拉或下拉電阻；
• 寫入輸出數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_ODR 的值將 I/O 引腳狀態(tài)置位；
• GPIOx_ODR 中的寫入數(shù)據(jù)可從 GPIOx_IDR 中讀取，該寄存器每個(gè) AHB 時(shí)鐘周期更新一次。

復(fù)用功能

在一些 STM32 GPIO 引腳上，用戶可以選擇復(fù)用功能輸入 / 輸出。每個(gè)引腳可與多達(dá) 16 個(gè)外設(shè)功能復(fù)用，例如通信接口（SPI，UART，I2C，USB，CAN，LCD 等）、定時(shí)器、調(diào)試接口等。所選引腳的復(fù)用功能通過兩個(gè)寄存器配置：GPIOx_AFRL（引腳 0 到 7）和 GPIOx_AFRH（引腳 8 到 15）。
對(duì) I/O 端口進(jìn)行編程作為復(fù)用功能時(shí)：

• 可將輸出緩沖器配置為開漏或推挽模式
• 輸出緩沖器由來自外設(shè)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)（發(fā)送器使能和數(shù)據(jù)）
• 施密特觸發(fā)器輸入被打開
• 根據(jù) GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否激活上拉或下拉電阻
• 輸入數(shù)據(jù)寄存器每隔 1 個(gè) AHB 時(shí)鐘周期對(duì) I/O 引腳上的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采樣。
• 對(duì)輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問可獲取 I/O 狀態(tài)。

模擬配置

有一些 STM32 GPIO 引腳可以配置為模擬模式，允許使用 ADC、DAC、OPAMP 和 COMP 內(nèi)部外設(shè)。要在模擬模式下使用 GPIO 引腳，需要考慮以下寄存器：

• GPIOx_MODER，用于選擇模式（輸入，輸出，復(fù)用，模擬）
• GPIOx_ASCR，用于選擇所需的功能，如 ADC，DAC，OPAMP 或 COMP

對(duì) I/O 端口進(jìn)行編程作為模擬配置時(shí)：

• 輸出緩沖器被關(guān)閉
• 施密特觸發(fā)器輸入被禁用，因此 I/O 引腳的每個(gè)模擬值零消耗。施密特觸發(fā)器的輸出被強(qiáng)制為恒定值（0）。
• 上拉和下拉電阻被硬件關(guān)閉
• 對(duì)輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問值為 “0”。

GPIO 配置指南