STM32标准库——（2）GPIO输出

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：0V~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，用以驱动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等

每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器
(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存
器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。
根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成
多种模式。

─ 输入浮空
─ 输入上拉
─ 输入下拉
─ 模拟输入
─ 开漏输出
─ 推挽式输出
─ 推挽式复用功能
─ 开漏复用功能

每个I/O端口位可以自由编程，然而必须按照32位字访问I/O端口寄存器(不允许半字或字节访
问)。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器进行读/更改的独立访问；这
样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。

2.GPIO结构

2.1 GPIO基本结构

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这样就可以完成输出电平和读取电平的功能寄存器的每一位对应一个引脚其中输出寄存器写1 对应的引脚就会输出高电平写0 就输出低电平输入寄存器读取为1 就证明对应的端口目前是高电平读取为0 就是低电平由于STM32是32位的单片机所以STM32内部的寄存器是32位的如图可以看到这个端口只有16位所以这个寄存器只有低16位对应的有端口高16位是没有用到的
驱动器是用来增加信号的驱动能力的寄存器只负责存储数据如果要进行点灯这样的操作还是需要驱动器来负责增大驱动能力

2.2 GPIO系统结构

在STM32中所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的

2.3 GPIO位结构

IO端口位的基本结构

5伏兼容I/O端口位的基本结构

保护二极管：对输入电压进行限幅上面二极管接VDD(3.3V) 下面接VSS(0V) 如果输入电压比3.3V还要高那上方二极管就会导通输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路这样就可以避免过高的电压对内部这些电路产生伤害如果输入电压比0V还要低那下方二极管会导通电流会从VSS直接流出去而不会从内部电路汲取电路也是可以保护内部电路的如果输入电压在0~3.3V之间那两个二极管均不会导通这时二极管对电路没有影响这就是保护二极管的用途
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模式（引脚的输入电平极易受到外界干扰而改变）接入上拉电阻当引脚悬空时还有上拉电阻来保证引脚的高电平所以上拉输入又可以称作是默认为高电平的输入模式下拉也同理就是默认为低电平的输入模式
模拟输入：连接到ADC上因为ADC需要接收模拟量所以这跟线是接到肖特基触发器前面的
复用功能输入：连接到其他需要读取端口的外设上的比如串口的输入引脚等这根线接收的是数字量所以在肖特基触发器后面
输入数据寄存器：用程序读取输入数据寄存器某一位的数据就可以知道端口的输入电平
输出数据寄存器：普通的IO口输出写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口
位设置/清楚寄存器：用来单独操作输出数据寄存器的某一位而不影响其他位（库函数所使用的方法）
因为输出数据寄存器同时控制16个端口并且这个寄存器只能整体读写所以如果想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话就需要一些特殊的操作模式第一种方式是先读出这个寄存器然后用按位与、按位或的方式更改某一位最后再将更改后的数据写回去在C语言中就是&=和|=的操作该方法比较麻烦效率不高对于IO口的操作而言不太合适第二种就是通过设置这个位设置/位清除寄存器如果我们对某一位进行置1操作在位设置寄存器的对应位写1即可剩下不需要操作的写0 这样它内部就会有电路自动将输出数据寄存器中对应位置为1 而剩下写0的位则保持不变这样就保证了只操作其中某一位而不影响其他位并且这是一步到位的操作如果想对某一位进行清0操作就在位清除寄存器的对应位写1即可这样内部电路就会把这一位清0 第三种是读写STM32中的”位带“区域位带作用跟51单片机的位寻址作用差不多在STM32中专门分配的有一段地域区域这段地址映射了RAM和外设寄存器所有的位读写这段地址中的数据就相当于读写所映射位置的某一位
MOS管是一种电子开关信号来控制开关的导通和关闭开关负责将IO口接到VDD或者VSS 在这里可以选择推挽、开漏或关闭三种输出方式推挽输出模式：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 就是输出高电平数据寄存器为0时上管断开下管导通输出直接接到VSS 就是输出低电平该模式下高低电平均有较强的驱动能力所以推挽输出模式也可以叫做强推输出模式同时STM32对IO口有绝对的控制权高低电平都有STM说了算开漏输出模式：P-MOS无效只有N-MOS在工作数据寄存器为1 下管断开这时输出相当于断开也就是高阻模式数据寄存器为0时下管导通输出直接接到VSS 也就是输出低电平这种模式下只有低电平有驱动能力高电平是没有驱动能力的该模式可以作为通信协议的驱动方式比如I2C通信的引脚就是使用的开漏模式在多机通信的情况下这个模式可以避免各个设备的相互干扰另外开漏模式还可以使用输出5V的电平信号比如在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源当输出低电平时由内部的N-MOS直接接到VSS 当输出高电平时由外部的上拉电阻拉高至5V 这样就可以输出5V的电平信号用于兼容一些5V电平的设备关闭模式：当引脚配置为输入模式的时候两个MOS管都无效也就是输出关闭端口的电平由外部信号来控制

3.GPIO模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式：

端口配置

输出模式位

3.1 浮空输入

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O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（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。所以在要读取外部信号时通常配置IO口为浮空输入模式。

3.2 上拉输入

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平为低电平。

3.3 下拉输入

下拉输入模式下，IO口工作方式刚好和上拉模式相反。I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端为高电平。

3.4 模拟输入

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。（除了模拟输入这个模式会关闭数字的输入功能在其他7个模式中所有的输入都是有效的）

3.5 开漏输出

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，控制MOS管的导通。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。通常使用开漏输出时外部要加一个上拉电阻。

3.6 开漏复用输出

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

3.7 推挽输出

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，控制P-MOS管和N-MOS管的导通来控制IO口输出高电平还是低电平。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为1的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定为高电平；当设置输出的值为0的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定为低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。