GPIO的工作方式/STM32八种IO口模式区别

GPIO基本结构

GPIO工作方式

4种输入模式：

输入浮空

输入上拉

输入下拉

模拟输入

4种输出模式：

开漏输出

开漏复用功能

推挽式输出

推挽式复用功能
最近在看数据手册的时候，发现在 Cortex-M3 里，对于 GPIO 的配置种类有 8 种之多：
（1）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
（6）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
（7）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出
对于刚入门的新手，我想这几个概念是必须得搞清楚的，平时接触的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入这三种，但一直未曾对这些做过归纳。因此，在这里做一个总结：
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 的电源低定。
推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、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。
详细理解：

如图所示，推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经 VT3 拉出。这样一来，输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。
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：

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 R pull-up ，MOSFET 到 GND。IC 内部仅需很下的栅极驱动电流。
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沿的速度。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。）
OPEN-DRAIN 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。
可以将多个开漏输出的 Pin，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。这也是 I2C，SMBus 等总线判断总线占用状态的原理。补充：什么是“线与”？：在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑.
其实可以简单的理解为：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。
关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：

该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的 PNP 三极管截止，而上面 NPN 三极管导通，输出电平 VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP 三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。
浮空输入：对于浮空输入，一直没找到很权威的解释，只好从以下图中去理解了

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下，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。上拉输入/下拉输入/模拟输入：这几个概念很好理解，从字面便能轻易读懂。
复用开漏输出、复用推挽输出：可以理解为 GPIO 口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用 IO口使用）
最后总结下使用情况：
在 STM32 中选用 IO 模式
（1）浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做 KEY 识别，RX1
（2）带上拉输入_IPU——IO 内部上拉电阻输入
（3）带下拉输入_IPD—— IO 内部下拉电阻输入
（4）模拟输入_AIN ——应用 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电
（5）开漏输出_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_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_AF_PP ——片内外设功能（I2C 的 SCL,SDA）
（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
STM32 设置实例：
（1）模拟 I2C 使用开漏输出_OUT_OD，接上拉电阻，能够正确输出 0 和 1；读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以读 IO 的值；使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；（2）如果是无上拉电阻，IO 默认是高电平；需要读取 IO 的值，可以使用带上拉输入_IPU 和浮空输入_IN_FLOATING 和开漏输出_OUT_OD；
通常有 5 种方式使用某个引脚功能，它们的配置方式如下：
1）作为普通 GPIO 输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
2）作为普通 GPIO 输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4）作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。 5）作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。
注意如果有多个复用功能模块对应同一个引脚，只能使能其中之一，其它模块保持非使能状态。
stm32 复位后,IO 端口处于输入浮空状态.
JTAG 引脚复位以后,处于上拉或者下拉状态.
所有 IO 端口都具有外部中断能力,端口必须配置成输入模式,才能使用外部中断功能.
IO 端口复用功能配置:
对于复用功能输入,端口可以配置成任意输入模式或者复用功能输出模式.
对于复用功能输出,端口必须配置成复用功能输出
对于双向复用功能,端口必须配置成复用功能输出
stm32 的部分 IO 端口的复用功能可以重新映射成另外的复用功能.
stm32 具有 GPIO 锁定机制,即锁定 GPIO 配置,下次复位前不能再修改. 当 LSE 振荡器关闭时,OSC32_IN 和 OSC32_OUT 可以用作通用 IO PC14 和 PC15.
当进入待机模式或者备份域由 Vbat 供电,PC14,PC15 功能丢失,该两个 IO 口线设置为模拟输入功能.
OSC_IN 和 OSC_OUT 可以重新映射为 GPIO PD0,PD1.
注意 PD0,PD1 用于输出地时候仅能用于 50MHz 输出模式.
注意:PC13,PC14,PC15 只能用于 2MHz 的输出模式,最多只能带 30pf 的负载,并且同时只能使用一个引
脚!!!