背景：因ST系列MCU在行業中應用最廣，故本文以ST的MCU的GPIO進行詳細講解每一種功能應用類型的使用。
一、STM32F10X 引腳說明
STM32F103ZET6一共有7組IO口，每組IO口有16個IO，分別為GPIOA~GPIOG，每組分別為PA0到PA16，STM32F103RCT6一個有4組IO口，分別為GPIOA到GPIOD，不同的是此芯片的GPIOD組只有GPIOD0至D2 三個IO口，並非16個。這就是常用F1系列的芯片引腳，其大部分引腳不僅可以當作GPIO使用，還可以復用為外設功能引腳，比如說串口引腳(USART，TIM等)。
二、GPIO的基本結構和工作方式
I/O端口位的基本結構
IO腳的基本工作方式：
STM32 的 IO 口相比 51 而言要復雜得多，所以使用起來也困難很多。首先 STM32 的 IO 口可以由軟件配置成如下 8 種模式：
（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 輸入浮空模式
（2）GPIO_Mode_IPU 輸入上拉模式
（3）GPIO_Mode_IPD 輸入下拉模式
（4）GPIO_Mode_AIN 模擬輸入模式
（5）GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出模式
（6）GPIO_Mode_AF_OD 開漏復用輸出模式
（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出模式
（8）GPIO_Mode_AF_PP 推挽復用輸出模式
三、GPIO的基本工作方式講解
♣輸入浮空模式
在此狀態下，I/O口的電平信號進入輸入數據寄存器，此時的I/O電平信號是不確定的，完全由外部輸入決定，如果在該引腳懸空（在無信號輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。且電壓具有不確定性。
♣輸入上拉模式
上拉就是將一個不確定的信號拉到一個固定的值，如上圖所示，通過I/O口來的信號就被上拉電阻拉到了VDD。所以，和浮空輸入相比來說，當I/O口被懸空的狀態下，輸入端的電平可以保持在高電平。
♣輸入下拉模式
下拉與上拉類似，通過I/O口來的信號被下拉電阻拉到了VSS，當I/O口被懸空的狀態下，輸入端的電平可以保持在低電平。
♣模擬輸入模式
模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號（電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，比如ADC模塊等等。
♣開漏輸出模式
輸出寄存器上的‘0’激活N-MOS，而輸出寄存器上的‘1’將端口置於高阻態（P-MOS從不被激活）。
N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，N-MOS管處於關閉狀態，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高低電平決定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定；當設置輸出的值為低電平的時候，N-MOS管處於開啟狀態，此時I/O端口的電平就是低電平。
所以開漏輸出只能輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高。
♣開漏復用輸出模式
開漏復用與開漏類似，只是電平信號的來源如圖所示不是來自CPU的輸出數據寄存器，而是來自片上外設模塊。
♣推挽輸出模式
輸出寄存器上的‘0’激活N-MOS，而輸出寄存器上的‘1’將激活P-MOS。
P-MOS管和N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，P-MOS管處於開啟狀態，N-MOS管處於關閉狀態，此時I/O端口的電平就由P-MOS管決定：高電平；當設置輸出的值為低電平的時候，P-MOS管處於關閉狀態，N-MOS管處於開啟狀態，此時I/O端口的電平就由N-MOS管決定：低電平。
所以推挽輸出可以輸出強高低電平，連接數字器件。
♣推挽復用輸出模式
推挽復用與推挽類似，只是電平信號的來源如圖所示不是來自CPU的輸出數據寄存器，而是來自片上外設模塊。
四、GPIO功能總結
- 浮空：顧名思義就是浮在空中,上面用繩子一拉就上去了,下面用繩子一拉就沉下去了.
- 開漏：就等於輸出口接了個NPN三極管,並且只接了e,b. c極 是開路的,你可以接一個電阻到3.3V,也可以接一個電阻到5V,這樣,在輸出1的時候,就可以是5V電壓,也可以是3.3V電壓了.但是不接電阻上拉的時候,這個輸出高就不能實現了.
- 推挽：就是有推有拉,任何時候IO口的電平都是確定的,不需要外接上拉或者下拉電阻.
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。
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：
- 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。
- 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。）
- 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。
- 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。
- 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
- 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別，RX1
- 帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入
- 帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入
- 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
- 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
- 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
- 復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL,SDA）
- 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：
- 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)；
- 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；
GPIO寄存器說明：
STM32的每個 IO 口可以自由編程，但 IO 口寄存器必須要按 32 位字被訪問。STM32 的每個 IO 端口都有 7 個寄存器來控制。他們分別是：配置模式的 2 個 32 位的端口配置寄存器 CRL 和 CRH；2 個 32 位的數據寄存器 IDR 和 ODR；1 個 32 位的置位/復位寄存器BSRR；一個 16 位的復位寄存器 BRR；1 個 32 位的鎖存寄存器 LCKR。
CRL 和 CRH 控制着每個 IO 口的模式及輸出速率。
參考資料：
《STM32不完全手冊》-GPIO介紹
《STM32中文參考手冊_V10》-第8章通用和復用功能IO(GPIO和AFIO )