STM32 GPIO 的原理、特性、选型和配置

1、基本结构

STM32 GPIO 是通用输入/输出端口的英文简称，其可实现输入、输出、驱动、通信等功能，STM32 的 I/O 端口有 8 种模式（4 种输入模式和 4 种输出模式），每个 I/O 端口位支持 3 种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz），均可自由编程，但 I/O 端口寄存器必须按 32 位字、半字（16 位）或字节（8 位）进行访问，具体模式如下所示：

• 浮空输入

• 上拉输入

• 下拉输入

• 模拟输入

• 开漏输出

• 推挽输出

• 复用功能推挽输出

• 复用功能开漏输出

以 STM32L011 为例（其他 STM32 处理器大同小异），GPIO 基本结构如下所示：

关键器件解析：

1、保护二极管：防止 I/O 引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于 VDDIOx 时，上方的二极管导通；当引脚电压低于 VSS 时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。

2、开关：开关为 TTL 肖特基触发器，将模拟信号转化为 0 和 1 的数字信号，但当 GPIO 作为 ADC 采集电压通道时，此时信号不再经过触发器进行 TTL 电平转换。

3、P-MOS、N-MOS：单元电路使得 GPIO 具有“推挽输出”和“开漏输出”的功能。

2、4 种输入模式

STM32 具有浮空输入、上拉输入、下拉输入和模拟输入 4 种输入模式。

浮空输入模式，I/O 端口的电平信号由外部输入决定，电平状态不确定，最终直接进入输入数据寄存器。浮空输入通常用于配置 USART 的 RX 引脚，如下图所示：

上拉输入模式，I/O 端口悬空（在无信号输入）的情况下，电平状态保持在高电平，当输入低电平时，电平状态是低电平，最终直接进入输入数据寄存器，如下图所示：

下拉输入模式，I/O 端口悬空（在无信号输入）的情况下，电平状态保持在低电平，当输入高电平时，电平状态是高电平，最终直接进入输入数据寄存器，如下图所示：

模拟输入模式，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。模拟输入通常应用于 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电等情景，如下图所示：

3、4 种输出模式

STM32 有开漏输出、推挽输出、复用功能开漏输出和复用功能推挽输出 4 种输出模式（本文 STM32L011 的上、下拉电阻为公共区域，所以输出模式具有上拉或下拉功能）。

开漏输出模式，通过配置置位/复位寄存器或者输出数据寄存器的值，途经 N-MOS 管，最终输出到 I/O 端口。开漏输出只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高，输出端相当于三极管的集电极，适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般 20ma 以内)，如下图所示：

需要注意 N-MOS 管的特性，当设置输出的电平状态为高电平时，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 端口内部或者外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的电平状态为低电平时，N-MOS 管处于开启状态，此时 I/O 端口的电平就是低电平。

推挽输出模式，通过配置置位/复位寄存器或者输出数据寄存器的值，P-MOS 管和 N-MOS 管，最终输出到 I/O 端口。推挽输出可以输出强高、低电平，连接数字器件，如下图所示：

需要注意 P-MOS 管和 N-MOS 管的特性，当设置输出的电平状态为高电平时，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：高电平；当设置输出的电平状态为低电平时，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：低电平。

复用功能开漏输出模式、复用功能推挽输出模式的原理和开漏输出模式、推挽输出模式原理基本一致，只不过输出的高低电平，不是由 MCU 配置置位/复位寄存器或者输出数据寄存器的值，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的（通信接口（SPI，UART，I 2 C，USB，CAN，LCD 等）、定时器、调试接口等复用）。复用功能开漏输出通常用于 TX1、MOSI、MISO 等引脚的配置，复用功能推挽输出通常用于 I2C 的 SCL、SDA。以复用功能推挽输出模式为例，实现原理如下图所示：

4、GPIO 选型和配置

如何选择适合其应用开发的 GPIO 模式和配置呢？请参考下图所示。