STM32 MCU_GPIO的八种工作模式详解

yu木风

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GPIO的八种工作模式详解

浮空输入_IN_FLOATING
带上拉输入_IPU
带下拉输入_IPD
模拟输入_AIN
开漏输出_OUT_OD
推挽输出_OUT_PP
开漏复用输出_AF_OD
推挽复用输出_AF_PP
4输入 + 2 输出 + 2 复用输出，一共是8种模式，以下是八种模式的工作原理：

GPIO浮空输入_IN_FLOATING模式工作原理

以上截图就是浮空输入模式的原理图，
图中阴影的部分在浮空输入模式下是处于不工作状态的，尤其是下半部分的输出电路
实际上这时的输出电路与输入的端口处于隔离状态。
黄色的高亮部分显示了数据传输通道，
外部的电平信号通过左边编号1的I/O 端口进入STM32内部
经过编号2的施密特触发器整形以后送入编号为3的“输入数据寄存器”
在“输入数据寄存器”的另一端(编号4) ，CPU通过内部的数据总线可以随时读出I/O 端口的电平变化的状态。

GPIO带上拉输入_IPU 模式工作原理：

上图是STM32的GPIO带上拉输入模式的原理图。
与前面介绍的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上面，接入了一个上拉电阻，
根据STM32的数据手册，这个上拉电阻阻值介于30K~50K 欧姆。
同样，CPU可以随时在“输入数据寄存器”的另一端，通过内部的数据总线读出I/O 端口的电平变化的状态。

GPIO带下拉输入_IPD 模式工作原理：

对于输入下拉模式的输入，是在数据通道的下部，接入了一个下拉电阻。
根据STM32的数据手册，这个下拉电阻阻值也是介于30K~50K 欧姆。

对于要加上拉或下拉电阻：
1.当作单片机作为输入时，假设我们直接在IO端口接一个按键到地（或电源）。
因为按键按，于不按管脚都是悬空的。单片机就很难检测按键是否按下。
所以人为的接一个上拉（或下拉）。以确定未按下的时候IO输入电平的状态
2.可以提高芯片的抗干扰能
3.当单片机的IO口作输出时，如果不接上拉电阻只能提供灌电流。无法输出电流驱动外接设备。这时也需要考虑上拉电阻。这样才可以使IO输出高电平

GPIO模拟输入_AIN 模式工作原理：

如果把STM32配置为模拟输入模式时，工作原理就比较简单了，信号从左边编号为1 的端口进
从右边编号为2的一端直接进入STM32单片机的AD模块。
细心的朋友可以看到数据通道中上拉、下拉电阻和施密特触发器，这时均处于关断的状态，
“输入数据寄存器”就不能反映IO端口上的电平变化的状态了
换句话说，也就是在模拟输入状态下，CPU不能通过“输入数据寄存器”读到IO端口变化的数据了

以上分析的是GPIO模块IO引脚的输入模式的工作原理，下面介绍一下GPIO输出模式的工作原理

GPIO开漏输出_OUT_OD 模式工作原理

上图是GPIO开漏输出模式的工作原理图
当CPU 在编号1 端通过“位设置/ 清除寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后
该数据位将通过编号2的输出控制电路传送到编号4 的I/O端口。
如果CPU 写入的是逻辑“1 ”，则编号3 的N-MOS管将处于关闭状态
此时I/O 端口的电平将由外部的上拉电阻决定
如果CPU 写入的是逻辑“0 ”，则编号3的N-MOS管将处于开启状态
此时I/O端口的电平被编号3 的N-MOS管拉到了“地”的零电位。

在图中的上半部，施密特触发器处于开启状态
这意味着CPU 可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时可以监控I/O端口的状态
通过这个特性，还可以实现了虚拟的I/O端口双向通信：假如CPU 输出逻辑“1 ”
由于编号3 的N-MOS管处于关闭状态，I/O 端口的电平将完全由外部电路决定
因此，CPU 可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑“1 ”

GPIO口的输出模式下，有3 种输出速度可选(2MHz 、10MHz和50MHz)
这个速度是指GPIO口驱动电路的响应速度，而不是输出信号的速度
输出信号的速度与程序有关（芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路
用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路）。
通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。
高频的驱动电路，噪声很高  
当我们的项目不需要比较高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI 性能。
当然如果我们的项目要求输出较高频率的信号,但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到比较失真的输出信号
有关具体信息可参考：http://www.51hei.com/bbs/dpj-40309-1.html

GPIO推挽输出_OUT_PP模式工作原理

GPIO的推挽输出模式是在开漏输出模式的基础上，在“输出控制电路”之后，增加了一个P-MOS管
当CPU输出逻辑“1 ”时，编号3 处的P-MOS管导通，而下方的N-MOS管截止，达到输出高电平的目的
当CPU输出逻辑“0 ”时，编号3 处的P-MOS管截止，而下方的N-MOS管导通，达到输出低电平的目的
在这个模式下，CPU 仍然可以从“输入数据寄存器”读到该IO端口电压变化的信号

GPIO开漏复用输出_AF_OD模式工作原理

GPIO的开漏复用输出模式与开漏输出模式的工作原理基本相同
不同的是编号为2 的输入的源不同，它是和复用功能的输出端相连
此时的“输出数据寄存器”被输出通道给断开了。
从上面的这个图，我们还可以看到CPU同样可以从“输入数据寄存器”读取到外部IO端口变化的电平信号。

GPIO推挽复用输出_AF_PP模式工作原理

最后介绍一下GPIO推挽复用输出模式的工作原理
编号2“输出控制电路” 输入是与复用功能的输出端相连
此时“输出数据寄存器”被从输出通道断开了，片上外设的输出信号直接与“输出控制电路”的输入端想连接。
我们将GPIO配置成复用输出功能后，假如相应的外设模块没有被激活，那么此时IO端口的输出将不确定。
其它部分原理与前面叙述的模式一样，包括对“输入数据寄存器”的读取方式也是一样的。