STM32F4 輸入輸出(GPIO)模式理解

stm32的GPIO的配置模式有好幾種，包括：

1. 模擬輸入；

2. 浮空輸入；

3. 上拉輸入；

4. 下拉輸入；

5. 開漏輸出；

6. 推挽輸出；

7. 復用開漏輸出；

8. 復用推挽輸出

 

如圖是GPIO的結構原理圖：

 

 

1.模擬輸入

 

從上圖我們可以看到，我覺得模擬輸入最重要的一點就是，他不經過輸入數據寄存器，所以我們無法通過讀取輸入數據寄存器來獲取模擬輸入的值，我覺得這一點也是很好理解的，因為輸入數據寄存器中存放的不是0就是1，而模擬輸入信號不符合這一要求，所以自然不能放進輸入數據寄存器。該輸入模式，使我們可以獲得外部的模擬信號。

 

2.浮空輸入

 

該輸入狀態，我的理解是，它的輸入完全由外部決定，我覺得在數據通信中應該可以使用該模式。應為在數據通信中，我們直觀的理解就是線路兩端連接着發送端和接收斷，他們都需要准確獲取對方的信號電平，不需要外界的干預。所以我覺得這種情況適合浮空輸入。比如我們熟悉的I2C通信。

 

3上拉輸入

 

上拉輸入就是在輸入電路上使用了上拉電阻。這種模式的好處在於我們什么都不輸入時，由於內部上拉電阻的原因，我們的處理器會覺得我們輸入了高電平，這就避免了不確定的輸入。 這在要求輸入電平只要高低兩種電平的情況下是很有用的。

 

4下拉輸入

和上拉輸入類似，不過下拉輸入時，在外部沒有輸入時，我們的處理器會覺得我們輸入了低電平。

 

5開漏輸出

 

開漏輸出，輸出端相當於三極管的集電極，所以適合與做電流驅動的應用。要得到高電平，需要上拉電阻才可以。

 

6推挽輸出

 

推挽輸出使用了推挽電路，結合推挽電路的特性，它是由兩個MOSFET組成，一個導通的同時，另外一個截至，兩個MOSFET分別連接高低電平，所以哪一個導通就會輸出相應的電平。推挽電路速度快，輸出能力強，直接輸出高電平或者低電平。

 

7復用開漏和復用推挽

 

我們知道這只是對GPIO的復用而已。使普通的GPIO具有了別的功能。

 

 

推挽輸出:可以輸出高,低電平,連接數字器件; 推挽結構一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。

推挽電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET,以推挽方式存在於電路中,各負責正負半周的波形放大任務,電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

詳細理解：

如圖所示，推挽放大器的輸出級有兩個“臂”（兩組放大元件），一個“臂”的電流增加時，另一個“臂”的電流則減小，二者的狀態輪流轉換。對負載而言，好像是一個“臂”在推，一個“臂”在拉，共同完成電流輸出任務。當輸出高電平時，也就是下級負載門輸入高電平時，輸出端的電流將是下級門從本級電源經VT3拉出。這樣一來，輸出高低電平時，VT3 一路和 VT5 一路將交替工作，從而減低了功耗，提高了每個管的承受能力。又由於不論走哪一路，管子導通電阻都很小，使RC常數很小，轉變速度很快。因此，推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

開漏輸出:輸出端相當於三極管的集電極. 要得到高電平狀態需要上拉電阻才行. 適合於做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內).

開漏形式的電路有以下幾個特點：

1.利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。

2.一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的，因為開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。（上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。）

3.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

4.可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。補充：什么是“線與”？：

在一個結點(線)上,連接一個上拉電阻到電源VCC或VDD和n個NPN或NMOS晶體管的集電極C或漏極D,這些晶體管的發射極E或源極S都接到地線上,只要有一個晶體管飽和,這個結點(線)就被拉到地線電平上.因為這些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),晶體管就會飽和,所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關系是或非NOR邏輯.如果這個結點后面加一個反相器,就是或OR邏輯.

其實可以簡單的理解為：在所有引腳連在一起時，外接一上拉電阻，如果有一個引腳輸出為邏輯0，相當於接地，與之並聯的回路“相當於被一根導線短路”，所以外電路邏輯電平便為0，只有都為高電平時，與的結果才為邏輯1。

關於推挽輸出和開漏輸出，最后用一幅最簡單的圖形來概括：

該圖中左邊的便是推挽輸出模式，其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。

浮空輸入：對於浮空輸入，一直沒找到很權威的解釋，只好從以下圖中去理解了

由於浮空輸入一般多用於外部按鍵輸入，結合圖上的輸入部分電路，我理解為浮空輸入狀態下，IO的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定，如果在該引腳懸空的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入：這幾個概念很好理解，從字面便能輕易讀懂。

復用開漏輸出、復用推挽輸出：可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（即並非作為通用IO口使用）

最后總結下使用情況：

在STM32中選用IO模式
（1） 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別，RX1
（2）帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入
（3）帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入
（4） 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
（5）開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND，IO輸出1，懸空，需要外接上拉電阻，才能實現輸出高電平。當輸出為1時，IO口的狀態由上拉電阻拉高電平，但由於是開漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變為低電平或不變。可以讀IO輸入電平變化，實現C51的IO雙向功能
（6）推挽輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的
（7）復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL,SDA）
（8）復用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

STM32設置實例：

（1）模擬I2C使用開漏輸出_OUT_OD，接上拉電阻，能夠正確輸出0和1；讀值時先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以讀IO的值；使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；

（2）如果是無上拉電阻，IO默認是高電平；需要讀取IO的值，可以使用帶上拉輸入_IPU和浮空輸入_IN_FLOATING和開漏輸出_OUT_OD；

通常有5種方式使用某個引腳功能，它們的配置方式如下：
1）作為普通GPIO輸入：根據需要配置該引腳為 浮空輸入、 帶弱上拉輸入或 帶弱下拉輸入，同時不要使能該引腳對應的所有復用功能模塊。
2）作為普通GPIO輸出：根據需要配置該引腳為 推挽輸出或 開漏輸出，同時不要使能該引腳對應的所有復用功能模塊。
3）作為普通模擬輸入：配置該引腳為 模擬輸入模式，同時不要使能該引腳對應的所有復用功能模塊。
4）作為內置外設的輸入：根據需要配置該引腳為 浮空輸入、 帶弱上拉輸入或 帶弱下拉輸入，同時使能該引腳對應的某個復用功能模塊。
5）作為內置外設的輸出：根據需要配置該引腳為 復用推挽輸出或 復用開漏輸出，同時使能該引腳對應的所有復用功能模塊。

注意如果有多個復用功能模塊對應同一個引腳，只能使能其中之一，其它模塊保持非使能狀態。

版權聲明：本文為博主原創文章，未經博主允許不得轉載。