關於STM32中GPIO的8種工作模式

轉載自：https://blog.csdn.net/L20130316/article/details/50571902

1 綜述

 

I/O口是單片機中非常常用的外設，STM32的I/O口有8種狀態，雖然一直在使用過程中沒有遇到什么問題，但是一直都不是很清楚，因此這里做一個總結（實際上這里的概念也是和STM8等其他單片機，理解了這8中狀態，也就基本上理解了大部分I/O口）。

 

2 廬山真面目

 

我們在庫文件中的"stm32f10x_gpio.h"中可以看到如下代碼：

 

1.  
   typedefenum
2.  
   {
3.  
   GPIO_Mode_AIN = 0x0,
4.  
   GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,
5.  
   GPIO_Mode_IPD = 0x28,
6.  
   GPIO_Mode_IPU = 0x48,
7.  
   GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,
8.  
   GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,
9.  
   GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,
10.  
    GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
11.  
    }GPIOMode_TypeDef;

 

上面因為是英文，不甚清晰，下面下面翻譯一下：

 

1.  
   typedefenum
2.  
   {
3.  
   GPIO_Mode_AIN = 0x0, /* 模擬輸入 */
4.  
   GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, /* 浮空輸入，復位后的狀態 */
5.  
   GPIO_Mode_IPD = 0x28, /* 下拉輸入，這里的下拉是指單片機內部的電阻 */
6.  
   GPIO_Mode_IPU = 0x48, /* 上拉輸入，這里的上拉是指單片機內部的電阻 */
7.  
   GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, /* 開漏輸出 */
8.  
   GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, /* 推挽輸出 */
9.  
   GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, /* 復用開漏輸出 */
10.  
    GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 /* 復用推挽輸出 */
11.  
    }GPIOMode_TypeDef;

 

 

在芯片資料中我們可以看到，I/O口的基本結構如下（5V兼容I/O位的基本結構圖省略）：

由於我們使用函數庫開發，因此本文就不再接掃具體的位操作了。

 

3 分別介紹

 

 

3.1 模擬輸入（Analog input）

 

顧名思義，就是這個I/O口（input/output口）當作input使用，並且是模擬輸入。模擬輸入狀態下用來接受模擬量（電壓值），一般用於AD采集。

 

3.2 浮空輸入（Floating input）

 

也叫懸浮輸入，一般把浮空輸入和上拉輸入做類比學習。上拉輸入的時候，引腳內部有一個上拉電阻通過開關連接到電源VDD，當引腳沒有和外部電路連接時，設置上拉輸入方式的I/O引腳電平是確定的高電平（相同的，下拉輸入就是確定的低電平）。而浮空輸入則不同，它的電瓶水hi不確定的，即使外部的一個很小的輸入信號都會使其發生改變。如果引腳設置為懸空的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

 

3.3 下拉輸入（Input down）

 

顧名思義，很好理解，可以參見3.2 浮空輸入。

 

3.4 上拉輸入（Input up）

 

顧名思義，很好理解，可以參見3.2 浮空輸入。

 

3.5 開漏輸出（Open Collector Output）

 

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流經上拉電阻、MOSFET到GND。IC內部僅需很小的柵極驅動電流。

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、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。

開漏輸出就是不輸出電壓，低電平時接地，高電平時不接地。如果外接上拉電阻，則在輸出高電平時電壓會拉到上拉電阻的電源電壓。這種方式適合在連接的外設電壓比單片機電壓低的時候。輸出端出跟集電極開路十分相似，工作原理也是一樣的。不同的是，開漏輸出使用的場效應管，使用時要加上拉電阻。（挺繞的，有機會用具體工程來介紹）

 

3.6 推挽輸出（Push-Pull Output）

 

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個互補信號的控制，總是在一個三極管導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源決定。

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。

關於推挽輸出和開漏輸出，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。

 

3.7 復用開漏輸出

 

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）。

 

3.8 復用推挽輸出

 

與復用開漏輸出一樣，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）。

 

4 使用場景總結

 

1、浮空輸入GPIO_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別，RX1。

2、帶上拉輸入GPIO_IPU——IO內部上拉電阻輸入，有時也用作KEY是些。

3、帶下拉輸入GPIO_IPD—— IO內部下拉電阻輸入，有時也用作KEY是些。

4、模擬輸入GPIO_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電。

5、開漏輸出GPIO_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GPIO_Mode_Out_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的。用的最多了。

使用SPI芯片等的時候，片選引腳就是該模式。

7、復用功能的推挽輸出GPIO_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL,SDA）

8、復用功能的開漏輸出GPIO_AF_OD——片內外設功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

在使用SPI芯片的時候，SCK MISO MOSI管教就是該模式

 

5 STM32項目實例

 

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。比如要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能，則需要配置47腳為復用推挽輸出或復用開漏輸出，配置48腳為某種輸入模式，同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。如果要使用STM32F103VBT6的47腳作為TIM2_CH3，則需要對TIM2進行重映射，然后再按復用功能的方式配置對應引腳。