【STM32F407開發板用戶手冊】第15章 STM32F407的GPIO基礎知識（重要）

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第15章       STM32F407的GPIO基礎知識（重要）

本章教程為大家講解GPIO（General-purpose I/Os）基礎知識。GPIO配置是所有外設驅動的基礎，大家務必要熟練掌握。

15.1 初學者重要提示

15.2 GPIO功能簡介

15.3 GPIO功能模式分析（重要）

15.4 GPIO的拉電流負載和灌電流負載能力

15.5 IO補償單元，用於高速

15.6 GPIO兼容CMOS和TTL電平

15.7 不使用的引腳推薦設為模擬模式

15.8 總結

 

 

15.1 初學者重要提示

1.   學習本章節務必要認真學習並掌握15.3小節GPIO功能模式分析，學好它們，對后續章節中外設的學習大有裨益。
2.   對於不使用的引腳，推薦設置為模擬模式，懸空即可。
3.   GPIO的速度等級高的時候，最好使能IO補償單元。
4.   GPIO還涉及到一個注入電流的問題，此貼可以作為了解：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87675 。

15.2 GPIO功能簡介

STM32F407的GPIO特性如下：

•   輸出狀態：開漏/推挽 + 上拉/下拉電阻。
•   通過輸出數據寄存器（GPIOx_ODR）或者外設（GPIO設置為復用模式時）輸出數據。
•   GPIO速度等級設置。
•   輸入狀態：浮空，上拉/下拉，模擬。
•   通過輸入數據寄存器（GPIOx_IDR）或者外設（GPIO設置為復用模式）輸入數據。
•   通過寄存器GPIOx_BSRR實現對寄存器GPIOx_ODR的位操作。
•   通過配置寄存器GPIOx_LCKR的鎖機制，實現凍結IO口配置。
•   每兩個時鍾周期就可以翻轉一次IO。
•   高度靈活的引腳復用功能，允許IO引腳既可以做GPIO也可以做功能復用。

15.3 GPIO功能模式分析（重要）

STM32F4的GPIO端口可以配置為如下的8種模式：

•   輸入浮空
•   輸入上拉
•   輸入下拉
•   模擬功能
•   具有上拉或下拉功能的開漏輸出
•   具有上拉或下拉功能的推挽輸出
•   具有上拉或下拉功能的復用功能推挽
•   具有上拉或下拉功能的復用功能開漏

由於上拉和下拉是可選配置，對應的HAL庫配置使用下面6種就可以表示：

•   GPIO_MODE_INPUT 輸入模式
•   GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽輸出
•   GPIO_MODE_OUTPUT_OD 開漏輸出
•   GPIO_MODE_AF_PP   復用推挽
•   GPIO_MODE_AF_OD  復用開漏
•   GPIO_MODE_ANALOG 模擬模式

15.3.1 推挽輸出

 

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。 電路工作時，兩只對稱的開關管每次只有一個導通，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。推拉式輸出級提高電路的負載能力。 相對於開漏輸出模式，推挽輸出最大優勢是輸出高電平時，上升時間快，電壓驅動能力強。 

15.3.2 開漏輸出

 

開漏端相當於 MOS 管的漏極（三極管的集電極），要得到高電平狀態必須外接上拉電阻才行，因此輸出高電平的驅動能力完全由外接上拉電阻決定，但是其輸出低電平的驅動能力很強。開漏形式的電路有以下幾個特點：

1. 輸出高電平時利用外部電路的驅動能力，減少 IC 內部的驅動。
2. 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。上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。
3. 開漏輸出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，即“線與”。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。

15.3.3 復用推挽和開漏

復用指的是GPIO切換到CPU內部設備（比如SPI,I2C,UART等電路），也就是GPIO不是作為普通IO使用，是由內部設備直接驅動。推挽和開漏的特征同上。

15.3.4 四種輸入模式

 

通過上面的引腳結構圖可以得到如下三種方式

•   浮空輸入：CPU內部的上拉電阻、下拉電阻均斷開的輸入模式。
•   下拉輸入：CPU內部的下拉電阻使能、上拉電阻斷開的輸入模式。
•   上拉輸入：CPU內部的上拉電阻使能、下拉電阻斷開的輸入模式。

 

而模擬輸入模式是GPIO引腳連接內部ADC。

 

15.4 GPIO的拉電流負載和灌電流負載能力

這里先普及點小知識，什么是拉電流負載，什么是灌電流負載。

•   拉電流負載：一種負載電流從驅動門流向外電路，稱為拉電流負載。比如使用STM32F4的GPIO直接驅動LED就是拉電流形式。

 

•   灌電流負載：負載電流從外電路流入驅動門，稱為灌電流負載。比如下面這種形式的LED驅動電路

 

有了上面這些知識后再來看STM32F407的IO驅動能力（截圖來自STM32F407數據手冊）：

 

通過上面的截圖可知：STM32F407單個引腳的最大拉電流和灌電流不可超過25mA，這個知識點，大家要知道。

15.5 IO補償單元，用於高速

IO補償單元用於控制I/O通信壓擺率（t_fall / t_rise）以此來降低I/O噪聲。當前STM32F4的速度等級可以配置為以下四種：

/** @defgroup GPIO_speed_define  GPIO speed define
  * @brief GPIO Output Maximum frequency
  * @{
  */  
#define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW         ((uint32_t)0x00000000U)  /*!< Low speed     */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      ((uint32_t)0x00000001U)  /*!< Medium speed  */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH        ((uint32_t)0x00000002U)  /*!< Fast speed    */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH   ((uint32_t)0x00000003U)  /*!< High speed    */

不同的速度等級支持的最大時鍾速度可以看此貼：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=94429 。

15.6 GPIO兼容CMOS和TTL電平

CMOS和TTL電平兼容問題也是一個比較重要的知識點，關於這方面的知識已經在論壇進行了總結（由於截圖較多，較長，就不整理到教程里面了）：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87676 。

 

15.7 不使用的引腳推薦設置為模擬模式

主要從功耗和防干擾考慮。

•   所有用作帶上拉電阻輸入的 I/O都會在引腳外部保持為低時產生電流消耗。此電流消耗的值可通過使用的靜態特性中給出的上拉 / 下拉電阻值簡單算出。
•   對於輸出引腳，還必須考慮任何外部下拉電阻或外部負載以估計電流消耗。
•   若外部施加了中間電平，則額外的 I/O 電流消耗是因為配置為輸入的 I/O。此電流消耗是由用於區分輸入值的輸入施密特觸發器電路導致。除非應用需要此特定配置，否則可通過將這些I/O 配置為模擬模式以避免此供電電流消耗。 ADC 輸入引腳應配置為模擬輸入就是這種情況。
•   任何浮空的輸入引腳都可能由於外部電磁噪聲，成為中間電平或意外切換。為防止浮空引腳相關的電流消耗，它們必須配置為模擬模式，或內部強制為確定的數字值。這可通過使用上拉 / 下拉電阻或將引腳配置為輸出模式做到。

 

綜上考慮，不使用的引腳設置為模擬模式，懸空即可。

15.8 總結

本章節就為大家講解這么多，其中GPIO功能模式小節（本章15.3）最重要，大家務必要掌握。