GPIO
GPIO简介
GPIO(General Purpose Input/Output)通用输入输出口
可配置为8种输入输出模式。引脚电平0-3.3V，部分引脚可容忍5V，输出模式下可控制端口输出高低电平，用来驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等。
输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据。
如果需要接入功率比较大的设备，需要接入驱动电路。
GPIO基本结构
APB2是外设总线。在STM32中，所有的GPIO都挂载在APB2外设总线上。
每个GPIO外设有16个引脚，顺序是第0-15号引脚。每个GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器，寄存器是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写。
输入寄存器读取为1，证明目前端口是高电平，为0则是低电平。
STM32是32位的单片机，所以STM32内部的寄存器都是32位的。驱动器增加信号的驱动能力，寄存器只负责存储数据。
如果需要点灯，还是需要驱动器增大信号的驱动能力。
GPIO位结构
由图可见，左边三个寄存器，右边则是驱动器，最右边则是引脚。上半部分是输入部分，下半部分是输出部分。
输入
输入部分由IO引脚和两个保护二极管组成，上面的二极管接VDD(3.3V)，下面的二极管接VSS(0V)，输入电压如果比3.3V高，那么上方二极管将导通，输入电压产生的电流将不会流入主电路；如果输入电压低于VSS（负电压），那么下方二极管将导通。
来到左边，上拉电阻至VDD，下拉电阻至VSS，开关通过程序进行配置。上面导通，下面断开，就是上拉输入模式；下面导通，上面断开，就是下拉输入模式。两个都断开，就是浮空。输入引脚如果什么都不接，输入就是浮空，它的位置不确定，极易受到外界影响，所以要避免引脚悬空，就要加上上拉或者下拉电阻。
上拉输入可以称作默认为高电平的输入模式，下拉则相反，是低电平的输入模式。
由于翻译问题，TTL肖特基触发器应为施密特触发器。它负责为输入电压进行整形。如果输入电压大于某一个阈值，就会升为高电平。如果小于某值就会降为低电平（参考数电）。
最左边的模拟输入线，连接到ADC（需要接收模拟量）。另一个是复用功能输入（接收数字量），连接到其他需要读取端口的外设上，比如串口的输入引脚等。
输出
数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制，通过数据选择器接到了输出控制部分。
选择输出数据寄存器进行控制，就是普通IO口输出，写该寄存器的某一位即可操作对应端口；位设置/清除寄存器可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，不影响其他位，如果想单独控制其中某个端口，需要几种方式：
- 读出寄存器，按位与(&=)和按位或(|=)的方式更改某一位，再将更改后的数据写回。（效率不高）
- 设置位设置/清除寄存器，对某一位进行置1，在位设置寄存器的对应位写1，不需操作的写0。清除则在位清除寄存器对应位写1。（主要使用）
- 读写STM32的位带区域（映射了RAM和外设寄存器的所有的位）。读写这段地址中的数据，相当于读写所映射位置的某一位。
右边的MOS管控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS，可以选择推挽、开漏或关闭三种输出方式。
在推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效。数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，即输出高电平。这样高低电平均有较强的驱动能力，因此也称为强推输出模式。这种模式下，STM32对IO口的控制权极大。
在开漏输出模式下，P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作。数据寄存器为1时，下管断开，输出相当于断开，即高阻模式。数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，即输出低电平。该模式下，仅有低电平有驱动能力，高电平则没有。乍一看没有什么用，但它可以作为通信协议的驱动方式（I2C），可以在多机输入的情况下减小干扰。此外，还可以用于输出5V的电平信号。
在关闭输出模式下，两个MOS管都无效，即输出关闭，端口的电平由外部信号来控制。
GPIO输入模式
| 模式 | 性质 | 特征 |
|---|---|---|
| 浮空输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定 |
| 上拉输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平 |
| 下拉输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平 |
| 模拟输入 | 模拟输入 | GPIO无效，引脚直接接入内部ADC |
| 开漏输出 | 数字输出 | 可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接VSS |
| 推挽输 出 | 数字输出 | 可输出引脚电平，高电平为VDD，低电平接VSS |
| 复用开漏输出 | 数字输出 | 由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS |
| 复用推挽输出 | 数字输出 | 由片上外设控制，高电平为VDD，低电平接VSS |
前三个模式的电路结构基本一样（刚刚也讲过），都属于数字输入口，都可以读取端口的高低电平。使用浮空输入时，端口一定要接一个连续的驱动源。
模拟输入：基本上是ADC模数转换器的专属，使用ADC的时候，将引脚配置为模拟输入。其他时候基本用不到。
开漏和推挽：结构也基本一样。区别刚刚讲过。
Reference
[1]. 江协科技.STM32入门教程-2023版 细致讲解 中文字幕[EB/OL](2021-07-29)[2024-10-25]. https://www.bilibili.com/video/BV1th411z7sn/?p=5&share_source=copy_web&vd_source=8b2bc57e71349607b55c9fde6b078ebd