STM32F103系列GPIO的一些基本概念和知识
前言：本笔记为百问网7天物联网智能家居训练营学习总结
GPIO（General-Purpose IO ports，通用输入/输出接口），用于感知外界信号（输入模式）和控制外部设 备（输出模式），如图 所示的STM32F103C8T6芯片四周的细引脚就是GPIO。
在嵌入式开发中，经常需要用到一些外部功能模块，比如LED、按键、蜂鸣器、温度传感器等，这些外 设模块都比较简单，只需要MCU的GPIO与模块连接，控制引脚输出/读取高低电平即可。还有一些外部功能 模块，需要多个引脚构成的“协议”进行通信，比如UART、I 2 C、SPI接口等。 如今的MCU大都采用引脚复用技术，即一个GPIO，即可以直接控制其输出高低电平，也可以设置为某 个协议的引脚之一，比如I 2 C的时钟信号引脚SCK。此外，有些MCU的引脚，还能设置为ADC模式读取模拟 信号，或者设置为DAC模式输出模拟信号，本章主要针对引脚的GPIO模式讲解。 对于GPIO模式，不同的MCU的功能细节略有差异，比如STM32的GPIO可以设置输出速度，51单片机就 没有该功能。因此本章主要针对STM32的GPIO特性进行讲解。
STM32F103C8T6一共有48个引脚，除去电源引脚、晶振时钟引脚、复位引脚、启动选择引脚、程序下 载引脚（大部分为最小系统必须引脚），剩下的则是GPIO引脚。 STM32将这些众多按GPIOx（x为A、B、C等）分组，每组包含16个引脚，编号为0~15。STM32F103C8T6 只有2组GPIO，每组16个引脚，即32个GPIO引脚。
下图为STM32F103系列GPIO的基本结构，左侧连接MCU内部，中间上半部分为输入，中间下半部 分为输出，右侧为MCU引出的外设I/O引脚。
GPIO 工作模式
STM32F103系列的I/O引脚共有8种工作模式，其中输出模式有四种：推挽输出、开漏输出、复用推挽 输出、复用开漏输出；输入模式有四种：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入。
推挽输出（Push-Pull，PP）
推挽结构由两个MOS管按互补对称的方式连接，任意时刻总是其中一个三极管导通，另一个三极管截 止。如图 8.1.1 中①所示，内部由一个P-MOS管和一个N-MOS管组成，两个MOS管的栅极（Gate，G）接到 了左侧“输出控制”，漏极（Drain，D）接到外部输出，P-MOS管的源极（Source，S）接到VDD（3.3V）， N-MOS管的源极接到Vss（0V）。 MOS管作为开关使用，“输出控制”向两个MOS管栅极加一定电压，P-MOS管源极和漏极之间导通， VDD 经过P-MOS管的S->G->D输出，N-MOS管处于高阻态（电阻很大，近似开路），整体对外为高电平； “输出控制”取消向两个MOS管栅极施加电压，P-MOS管源极和栅极截止，P-MOS管处于高阻态，N-MOS 管源极和漏极导通，整体对外为低电平。 推挽模式，让“输出控制”变为了VDD/Vss输出，使得输出电流增大，提高了输出引脚的驱动能力，提高 了电路的负载能力和开关的动作速度。
开漏输出（Open-Drain，OD）
开漏模式下，“输出控制”不会控制P-MOS管，“输出控制”只会向N-MOS管栅极加一定电压，两个 MOS管都处于截止状态，两个漏极处于悬空状态，称之为漏极开路。“输出控制”取消栅极的施加电压，PMOS管依旧处于高阻态，N-MOS管导通，整体对外为低电平。 开漏输出模式可以等效将图 8.1.2 中灰色框的P-MOS管看作不存在。即该模式下只能输出低电平，若要 输出高电平，则需要外接电阻，所接的电阻称为上拉电阻，此时输出电平取决于此时上拉电阻的外部电源电 压情况，如图 8.1.2 中蓝色框的外部电路。
推挽输出模式可以直接输出高电平，开漏输出模式需要外接上拉电阻才能输出高电平，但开漏输出拥有 一些推挽输出不具有的特性： ①利用外部电路驱动能力。如图 8.1.2 所示，“输出控制”只需要提供一个很小的栅极驱动电流，VCC 经过上拉电阻为外部负载提高驱动电流； ②实现电平转换。推挽输出模式由VDD提供，即只能提供3.3V电平。使用开漏输出模式后，VCC可以为 5V，从而实现了电平转换的效果。 ③方便实现“逻辑与”功能。多个开漏的引脚可以直接并在一起使用，统一接一个合适的上拉电阻，就 可以实现“逻辑与”关系，即当所有引脚均输出高电平时，输出才为高电平，若任一引脚输出低电平，则输 出低电平。在I 2 C、SMBUS等总线电路中经常会用到。
复用功能推挽/开漏输出（Alternate Function，AF）
GPIO引脚除了作为通用输入/输出引脚使用外，还可以作为片上外设（USART、I 2 C、SPI等）专用引脚， 即一个引脚可以有多种用途，但同一时刻一个引脚只能使用复用功能中的一个。 当引脚设置为复用功能时，可选择复用推挽输出模式或复用开漏输出模式，在设置为复用开漏输出模式 时，需要外接上拉电阻。
上拉输入模式（Input Pull-up）
如图 8.1.1 中②所示，VDD经过开关、上拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号 时，默认输入高电平。 该模式的典型应用就是外接按键，当没有按键按下时候，MCU的引脚为确定的高电平，当按键按下时 候，引脚电平被拉为低电平。
下拉输入模式（Input Pull-down）
如图 8.1.1 中②所示，Vss经过开关、下拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号时， 默认输入低电平。
浮空输入模式（Floating Input）
如图 8.1.1 中②所示，两个上/下拉电阻开关均断开，既无上拉也无下拉，I/O引脚直接连接TTL肖特基 触发器，此时I/O引脚浮空，读取的电平是不确定的，外部信号是什么电平，MCU引脚就输入什么电平。MCU 复位上电后，默认为浮空输入模式。
模拟输入模式（Analog mode）
如图 8.1.1 中②所示，两个上/下拉电阻开关均断开，同时TTL肖特基触发器开关也断开，引脚信号直接 连接模拟输入，实现对外部信号的采集。
GPIO 输出速度
STM32的I/O引脚工作在输出模式下时，需要配置I/O引脚的输出速度。该输出速度不是输出信号的速度， 而是I/O口驱动电路的响应速度。 STM32提供三个输出速度：2MHz、10MHz、50MHz。实际开发中需要结合实际情况选择合适的相应速 度，以兼顾信号的稳定性和低功耗。通常，当设置为高速时，功耗高、噪声大、电磁干扰强；当设备为低速 时，功耗低、噪声小、电磁干扰弱。 通常简单外设，比如LED灯、蜂鸣器灯，建议使用2MHz的输出速度，而复用为I 2 C、SPI等通信信号引 脚时，建议使用10MHz或50MHz以提高响应速度。
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