深度剖析STM32F4 GPIO的八種工作模式

ID:720951 · 發表于 2020-4-2 15:42

1 GPIO簡介
GPIO,即通用I/O(輸入/輸出)端口，是STM32可控制的引腳。STM32芯片的GPIO引腳與外部設備連接起來，可實現與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數據的功能。

STM32F407有7組IO。分別為GPIOA~GPIOG，每組IO有16個IO口，共有112個IO口  通常稱為 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x為0-15。  并且F4系列是基于Cortex-M4內核

GPIO的復用：

STM32F4 有很多的內置外設，這些外設的外部引腳都是與 GPIO 共用的。也就是說，一個引腳可以有很多作用，但是默認為IO口，如果想使用一個 GPIO內置外設的功能引腳，就需要GPIO的復用，那么當這個 GPIO 作為內置外設使用的時候，就叫做復用。比如說串口  就是GPIO復用為串口

2 GPIO的工作模式
1、4種輸入模式

（1）GPIO_Mode_IN_FLOAtiNG 浮空輸入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉輸入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
（4）GPIO_Mode_AIN 模擬輸入

2、4種輸出模式

（5）GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出（帶上拉或者下拉）
（6）GPIO_Mode_AF_OD 復用開漏輸出（帶上拉或者下拉）
（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出（帶上拉或者下拉）
（8）GPIO_Mode_AF_PP 復用推挽輸出（帶上拉或者下拉）
3、4種最大輸出速度
（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

關于他們的定義，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都為結構體形式的定義

3 GPIO框圖剖析

我們所用到的每一個GPIO其內部結構都是這樣，分別對應著GPIO的八種模式  這里我們簡單的介紹下：

保護二極管：  IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入，當引腳電壓高于VDD_FT時，上方的二極管導通，當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀

上拉、下拉電阻：控制引腳默認狀態的電壓，開啟上拉的時候引腳默認電壓為高電平，開啟下拉的時候引腳默認電壓為低電平

TTL施密特觸發器：基本原理是當輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為高；當輸入電壓低于負向閾值電壓，輸出為低；IO口信號經過觸發器后，模擬信號轉化為0和1的數字信號也就是高低電平  并且是TTL電平協議這也是為什么STM32是TTL電平協議的原因

P-mos管和N-MOS管：信號由P-MOS管和N-MOS管，依據兩個MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式    P-MOS管高電平導通，低電平關閉，下方的N-MOS低電平導通，高電平關閉

注：  VDD_FT  代表IO口，兼容3.3V和5V，如果沒有標注“FT”，就代表著不兼容5V
在芯片數據手冊的引腳定義中，會看到有“I/O電平”一列  有FT即為支持5V

4 GPIO的八種工作模式剖析：
浮空輸入模式

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。MCU直接讀取I/O口電平，I/O的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無信號輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。 (接用電壓表測量其引腳電壓為1點幾伏，這是個不確定值) 以用來做KEY識別

上拉輸入模式

IO內部接上拉電阻，此時如果IO口外部沒有信號輸入或者引腳懸空，IO口默認為高電平如果I/O口輸入低電平，那么引腳就為低電平，MCU讀取到的就是低電平

STM32的內部上拉是"弱上拉"，即通過此上拉輸出的電流是很弱的，如要求大電流還是需要外部上拉。

下拉輸入模式

IO內部接下拉電阻，此時如果IO口外部沒有信號輸入或者引腳懸空，IO口默認為低電平如果I/O口輸入高電平，那么引腳就為高電平，MCU讀取到的就是高電平

模擬輸入模式

當GPIO引腳用于ADC采集電壓的輸入通道時，用作"模擬輸入"功能，此時信號不經過施密特觸發器，直接直接進入ADC模塊，并且輸入數據寄存器為空，CPU不能在輸入數據寄存器上讀到引腳狀態

當GPIO用于模擬功能時，引腳的上、下拉電阻是不起作用的，這個時候即使配置了上拉或下拉模式，也不會影響到模擬信號的輸入輸出

除了 ADC 和 DAC 要將 IO 配置為模擬通道之外其他外設功能一律要配置為復用功能模式，

開漏輸出模式（帶上拉或者下拉）

在開漏輸出模式時，只有N-MOS管工作，如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管關閉，N-MOS管導通，使輸出低電平，I/O端口的電平就是低電平，若控制輸出為1時，高電平，則P-MOS管和N-MOS管都關閉，輸出指令就不會起到作用，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高電平決定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定如果沒有上拉或者下拉 IO口就處于懸空狀態

并且此時施密特觸發器是打開的，即輸入可用，通過輸入數據寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實際狀態。，I/O口的電平不一定是輸出的電平

推挽輸出模式（帶上拉或者下拉）

在推挽輸出模式時，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管關閉，N-MOS管導通，使輸出低電平，I/O端口的電平就是低電平，若控制輸出為1 高電平，則P-MOS管導通N-MOS管關閉，使輸出高電平，I/O端口的電平就是高電平，外部上拉和下拉的作用是控制在沒有輸出時IO口電平

此時施密特觸發器是打開的，即輸入可用，通過輸入數據寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實際狀態。I/O口的電平一定是輸出的電平

復用開漏輸出（帶上拉或者下拉）

GPIO復用為其他外設，輸出數據寄存器GPIOx_ODR無效；輸出的高低電平的來源于其它外設，施密特觸發器打開，輸入可用，通過輸入數據寄存器可獲取I/O實際狀態除了輸出信號的來源改變其他與開漏輸出功能相同

復用推挽輸出（帶上拉或者下拉）

用為其他外設(如 I2C)，輸出數據寄存器GPIOx_ODR無效；輸出的高低電平的來源于其它外設，施密特觸發器打開，輸入可用，通過輸入數據寄存器可獲取I/O實際狀態除了輸出信號的來源改變其他與開漏輸出功能相同

開漏輸出和推挽輸出的區別：

推挽輸出：

可以輸出強高低電平，連接數字器件

推挽結構一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管導通的時候另一個截止.

開漏輸出：

可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極. 需要外接上拉電阻，才能實現輸出高電平合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)；

在使用任何一種開漏模式時，都需要接上拉電阻，否則只能輸出低電平

推挽輸出電路：其中IN端輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當IN端輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，為低電平

開漏輸出電路：IN端輸出低電平時，三極管導通，使輸出接地，IN端輸出高電平時，三極管截止，所以引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態。為正常使用時必須接上拉電阻，

在STM32中選用IO模式:

上拉輸入、下拉輸入可以用來檢測外部信號；例如，按鍵等；
模擬輸入 ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
開漏輸出一般應用在I2C、SMBUS通訊等需要"線與"功能的總線電路中。
推挽輸出模式一般應用在輸出電平為0和3.3伏而且需要高速切換開關狀態的場合。在STM32的應用中，除了必須用開漏模式的場合，我們都習慣使用推挽輸出模式。
復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL,SDA）
復用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
F4系列與F1系列區別:
本質上的區別是F4系列采用了Cortex-M4內核而F1系列采用Cortex-M3內核

F1系列(M3)IO口基本結構：

F4系列(M4)IO口基本結構：

F4系列設計的更加高級與人性化，他將外部上下拉電阻轉移到了輸出/輸入驅動器外部，使得輸出模式下也可以實現內部上拉與下拉，方便了用戶的使用，增加了靈活性

GPIO的初始化(F4)
這里我們以初始化LED為例

1.定義一個 GPIO_InitTypeDef 類型的結構體

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*定義一個 GPIO_InitTypeDef 類型的結構體*/

一共有5個參數

2開啟 LED 相關的 GPIO 外設時鐘

RCC_AHB1PeriphclockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*開啟 AHB1時鐘*/

Q:為什么要設置時鐘？

任何外設都需要時鐘，51單片機，stm32，430等等，因為寄存器是由D觸發器組成的，往觸發器里面寫東西，前提條件是有時鐘輸入。stm32是低功耗，他將所有的門都默認設置為disable(不使能)，在你需要用哪個門的時候，開哪個門就可以，也就是說用到什么外設，只要打開對應外設的時鐘就可以，其他的沒用到的可以還是disable(不使能)，這樣耗能就會減少。

Q:為什么 STM32 要有多個時鐘源呢？

因為首先 STM32 本身非常復雜，外設非常的多，但是并不是所有外設都需要系統時鐘這么高的頻率，比如看門狗以及 RTC 只需要幾十 k 的時鐘即可。同一個電路，時鐘越快功耗越大，同時抗電磁干擾能力也會越弱，所以對于較為復雜的 MCU 一般都是采取多時鐘源的方法來解決這些問題。

而相對應的外設功能所使用的時鐘在stm32f4xx.h 中即可查看到

RCC_AHB1

RCC_APB1

3選擇要控制的 GPIO 引腳

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; /*選擇Pin9引腳*/

可選引腳為0-15 一組IO口有16個引腳

4設置所選引腳的模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; /*設定為輸出模式*/

引腳的模式共有四種，分別為輸入，輸出，復用，和模擬模式

5 設定所選引腳的輸出類型

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /*設置引腳的輸出類型為推挽輸出*/

輸出模式有兩種：推挽輸出和開漏輸出

只有輸出模式才需要配置，輸入模式下不需要配置

6 設定所選管腳的速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//設定速度為100MHz 高速模式

7 設定所選管腳的上拉與下拉

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*設置引腳為上拉模式*/

可設置為：上拉，下拉，與浮空

8初始化GPIO

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化所設置的引腳

GPIO_Init() 是官方配置的初始化函數第一個參數是GPIOX 第二個參數是結構體所對應GPIO各種參數的配置

GPIO的初始化(F1)
F4的初始化相較于F1系列有了很大的改變，在配置F1系列時，結構體只有三個參數

GPIO_InitTypeDef 類型的結構體

所選管腳的速度

所選管腳的8種模式

區別：

F1(M-3)系列管腳速度只有三種模式  并且管腳的模式配置八種模式全部都在一起定義，直接設置即可

總歸還是大同小異，不做過多介紹，看下下方配置即可

void led_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                   //定義初始化結構體
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA時鐘

GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;    //配置模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin    = GPIO_Pin_0;          //配置哪個IO口
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;    //配置IO口速度,僅輸出有效
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                //初始化GPIOA的參數為以上結構體
}