GPIO

1. 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。

2. GPIO基本结构

微信截图_20241025155054

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。

3. GPIO位结构

微信截图_20241025160331

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。

4. 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。

tip

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。

5. 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。

6. 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。

7. 封装技术

以STM32H723为例：

LQFP封装:

https://github.com/user-attachments/assets/91f3e340-acb7-412b-8d41-7c3a19d3b2e0

QFN封装:

https://github.com/user-attachments/assets/3a98584b-f735-45e9-b772-06449305c888

BGA：球栅阵列封装技术

8. 相关函数（标准库）

8.1 GPIO初始化函数

看一下GPIO_TypeDef结构体：

typedef struct
{
__IO uint32_t CRL;
__IO uint32_t CRH;
__IO uint32_t IDR;
__IO uint32_t ODR;
__IO uint32_t BSRR;
__IO uint32_t BRR;
__IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

看一下GPIO_InitTypeDef结构体：

typedef struct
{
    // 引脚、传输速度、模式
    uint16_t GPIO_Pin;
    GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
    GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
    // GPIO_Mode_AIN 模拟输入	
    // GPIO_Mode_IN_FLOATING  浮空输入	
    // GPIO_Mode_IPD  下拉输入
    // GPIO_Mode_IPU  上拉输入
    // GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出	
    // GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
    // GPIO_Mode_AF_OD  开漏复用输出
    // GPIO_Mode_AF_PP  复用推挽输出
}GPIO_InitTypeDef

这些 GPIO 工作模式 是 STM32 微控制器中 GPIO（通用输入/输出）的配置选项，不同的模式适用于不同的应用场景。以下是每种模式的详细说明及典型应用场景：

1. 模拟输入（GPIO_Mode_AIN）

功能：引脚配置为模拟输入，用于读取模拟信号（如 ADC 采集）。
典型应用：
- ADC（模数转换）输入，如读取传感器（温度、光照、电压等）。
- DAC（数模转换）输出（但 DAC 通常有专用引脚）。
特点：
- 数字输入/输出功能被禁用，仅用于模拟信号。
- 无上拉/下拉电阻。

2. 浮空输入（GPIO_Mode_IN_FLOATING）

功能：引脚仅作为数字输入，无内部上拉或下拉电阻。
典型应用：
- 外部信号输入，但外部电路已经提供确定电平（如按键+外部上拉/下拉）。
- 高速通信接口（如 UART RX、I2C SDA/SCL 等）。
特点：
- 如果外部信号未连接，电平可能不确定（易受干扰）。
- 适用于信号源已有明确驱动能力的场景。

3. 下拉输入（GPIO_Mode_IPD）

功能：引脚作为数字输入，内部启用下拉电阻（默认拉低）。
典型应用：
- 检测高电平有效的信号（如按键按下时接 VCC）。
- 防止引脚悬空时误触发。
特点：
- 无外部信号时，引脚电平为低。

4. 上拉输入（GPIO_Mode_IPU）

功能：引脚作为数字输入，内部启用上拉电阻（默认拉高）。
典型应用：
- 检测低电平有效的信号（如按键按下时接地）。
- 防止引脚悬空时误触发（如按键输入）。
特点：
- 无外部信号时，引脚电平为高。

5. 开漏输出（GPIO_Mode_Out_OD）

功能：输出模式，只能拉低或高阻态（不能直接输出高电平）。
典型应用：
- I2C 通信（SDA/SCL 需要开漏模式支持多设备总线）。
- 电平转换（如 3.3V MCU 控制 5V 设备）。
- 需要外部上拉电阻的场景。
特点：
- 输出 0 时拉低，输出 1 时高阻（靠外部上拉电阻拉高）。
- 支持“线与”逻辑（多个设备共享同一总线）。

6. 推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP）

功能：输出模式，可主动输出高电平或低电平。
典型应用：
- 驱动 LED、继电器、MOSFET 等。
- 高速数字信号（如 SPI、USART TX）。
- 需要强驱动能力的场景。
特点：
- 输出 0 时拉低，输出 1 时拉高（无需外部上拉）。
- 驱动能力强，但不能直接用于总线（如 I2C）。

7. 开漏复用输出（GPIO_Mode_AF_OD）

功能：外设控制的开漏输出（如 I2C、TIM 等硬件控制）。
典型应用：
- I2C 的 SDA/SCL 引脚（STM32 的硬件 I2C 必须用此模式）。
- 需要开漏模式的外设功能。
特点：
- 类似开漏输出，但由硬件外设自动控制。

8. 复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP）

功能：外设控制的推挽输出（如 SPI、USART 等硬件控制）。
典型应用：
- SPI 的 SCK/MOSI 引脚。
- USART 的 TX 引脚。
- PWM 输出（TIM 外设）。
特点：
- 类似推挽输出，但由硬件外设自动控制。

总结表格

模式	典型应用	特点
AIN（模拟输入）	ADC 采集、DAC 输出	仅用于模拟信号，数字功能禁用
IN_FLOATING（浮空）	UART RX、外部已驱动的数字信号	无上拉/下拉，依赖外部电路
IPD（下拉输入）	高电平有效的按键检测	默认拉低，防干扰
IPU（上拉输入）	低电平有效的按键检测	默认拉高，防干扰
Out_OD（开漏输出）	I2C、电平转换	需外部上拉，支持线与逻辑
Out_PP（推挽输出）	LED、SPI、USART TX	强驱动能力，直接输出高低电平
AF_OD（复用开漏）	硬件 I2C	外设控制的开漏模式
AF_PP（复用推挽）	SPI、USART、PWM	外设控制的推挽模式

如何选择模式？

输入信号：
- 模拟信号 → AIN
- 数字信号（外部已驱动）→ IN_FLOATING
- 数字信号（需防干扰）→ IPU 或 IPD
输出信号：
- 普通 IO 控制 → Out_PP（推挽）或 Out_OD（开漏 + 上拉）
- 通信接口（I2C、SPI、UART）→ 使用对应的 复用模式（AF_OD 或 AF_PP）
外设功能：
- 硬件外设（如 TIM、USART、I2C）必须使用 复用模式（AF_*），不能直接用普通输入/输出模式。

常见外设的 GPIO 模式示例

外设	推荐模式	说明
ADC	AIN	模拟输入
I2C	AF_OD（或手动模拟开漏）	必须开漏 + 外部上拉
SPI	AF_PP	推挽输出，高速驱动
UART	RX: IN_FLOATING, TX: AF_PP	RX 浮空输入，TX 推挽输出
PWM	AF_PP	定时器控制的推挽输出
按键	IPU 或 IPD	根据按键电路选择上拉/下拉

初始化示例：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

8.2 GPIO读取输入函数

主要是ReadInputDataBit来完成。

uint8_t ReadInValue;
ReadInValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);

如果要读取所有A口的引脚的输入，那就不指定引脚：

uint16_t ReadInValue;
ReadInValue = GPIO_ReadInputData(GPIOA);

8.3 GPIO读取输出函数

uint8_t ReadOutValue;
ReadOutValue = GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);

8.4 GPIO写入函数

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 设置指定的数据端口位为1，但需要注意端口模式！
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 清除指定的数据端口位，置0
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_SET); // 写数据到指定的数据端口位，Bit_SET表示写1，Bit_RESET表示写0
GPIO_Write(GPIOA, 0x00FF); // 写数据到指定的数据端口，0x00FF表示写11111111

8.5 添加一个按键来控制LED的亮灭（例程）

• 按键按下，LED点亮； • 按键释放，LED熄灭。

这里的LED是PC13.

#include "vartypes.h"
#include "includes.h"

#define KEY_ON 1
#define KEY_OFF 0

void LedInit(void){
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;// 推挽输出
}
void KeyInit(void){
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; //PA1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; // 下拉Pull-Down，当然这里的按键接的是3V3，所以下拉，但正常来说都是接地的，所以正常来说应该是上拉
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

int KeyScan(void){
   uint32_t ReadValue;
   ReadValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);
   return ReadValue; 
}

void LED1(uint32_t Switch){
    if(Switch == KEY_ON){
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); 
    }else if(Switch == KEY_OFF){
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); 
    }
}

#include "includes.h"

int main(){
    LedInit();
    KeyInit();

    LED1(0);
    
    while(1){
        if(KeyScan() == KEY_ON){
            LED1(1);
        }else{
            LED1(0);
        }
    }
}

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

1. GPIO简介​

2. GPIO基本结构​

3. GPIO位结构​

4. 输入​

5. 输出​

6. GPIO输入模式​

7. 封装技术​

8. 相关函数（标准库）​

8.1 GPIO初始化函数​

1. 模拟输入（GPIO_Mode_AIN）​

2. 浮空输入（GPIO_Mode_IN_FLOATING）​

3. 下拉输入（GPIO_Mode_IPD）​

4. 上拉输入（GPIO_Mode_IPU）​

5. 开漏输出（GPIO_Mode_Out_OD）​

6. 推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP）​

7. 开漏复用输出（GPIO_Mode_AF_OD）​

8. 复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP）​

总结表格​

如何选择模式？​

常见外设的 GPIO 模式示例​

8.2 GPIO读取输入函数​

8.3 GPIO读取输出函数​

8.4 GPIO写入函数​

8.5 添加一个按键来控制LED的亮灭（例程）​

Reference​