1 GPIO简介
+ e, H4 f- m, q1 a' bGPIO,即通用I/O(输入/输出)端口，是STM32可控制的引脚。STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

/ C8 {6 a; n; P8 U4 ASTM32F407有7组IO。分别为GPIOA~GPIOG，每组IO有16个IO口，共有112个IO口  通常称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。  并且F4系列是基于Cortex-M4内核  

GPIO的复用：

STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。    比如说串口  就是GPIO复用为串口

8 f; b" ~5 {. {# w3 C; j2 GPIO的工作模式
1、4种输入模式
$ w# \* u8 b3 v5 [# |（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
* Y% T; }% S: X9 B2 s（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

  Q, Z1 G2 m6 z; l7 t  l- ^2、4种输出模式
（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
( r1 l6 o3 W8 _! F（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
7 q7 r) p! t" F) M) H. m7 O（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）
: Z8 d) i. A7 p- y6 m1 h- L. ~1 l6 [
* b5 @/ k: P9 d- w7 ?3、4种最大输出速度
（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
4 e' O* _5 g, P. \3 }* V" h（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义
$ I  R6 B& A; S% e" k  d: n
3 GPIO框图剖析

" n. C7 N0 [& I: _$ l

2 s2 ?9 \% K. ^/ @: g1 X- i5 R+ K! {
我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式  这里我们简单的介绍下：
0 u5 \" K: w0 q  U$ q0 k+ ^
- a5 b: |3 Y7 a6 ]: D1 D( s9 E保护二极管：  IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT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
上拉、下拉电阻：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平
TTL施密特触发器：基本原理是当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号    也就是高低电平  并且是TTL电平协议   这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
# ^; Z9 [. m5 _6 i$ g: ` P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式     P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭
注：  VDD_FT  代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V      
; i- e9 E  D" _" G3 G; A9 X' W6 O
在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“I/O电平”一列  有FT即为支持5V
1 Q3 i! t' {% {7 P9 K& H
  O% J+ N' a3 u3 T

5 J3 I2 y. E$ |4 }" `4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
2 x5 X% |, A( U5 o9 g1 P

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。MCU直接读取I/O口电平，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别
4 @+ W" U5 _' Y9 f9 X2 v; m& t
上拉输入模式

3 g4 w3 @5 g7 l  B/ i5 e2 R! {7 t
9 [- e4 c8 ^( A& n0 g+ | IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平  如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平
, K1 m5 F4 Y) h5 O: F, ^% [3 Q
STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。
5 d# n7 ^8 o5 X+ v0 d' ~) Q
下拉输入模式
1 A' N: G& ]# X  j0 t0 J2 P. l

IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平  如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平
/ d3 P6 B2 _9 s4 E6 o! ^; D
模拟输入模式

, x' K- `9 w( g$ a, v
$ ^2 `3 }. x5 H6 Q& P- |5 z当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作"模拟输入"功能，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空 ，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态
( H+ A- m( L- ?" _5 v( A
当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出

除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，

开漏输出模式（带上拉或者下拉）
0 @7 K2 m  I' D1 J! r3 s  t
* \+ S, V. l* c4 s) N7 F. t

) l4 R3 d6 d5 v; m3 J0 P

在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定   如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态
. C1 c0 o  s$ o5 S
并且此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。，I/O口的电平不一定是输出的电平   
  |# X* z/ ?# l1 I; L1 D* [

% B3 e6 b8 N" ~3 Z在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平，  外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平

此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。I/O口的电平一定是输出的电平   

2 Y  j8 n# W' A, Q! q, V+ ^复用开漏输出（带上拉或者下拉）
2 l: V; Q" |* u
+ I  r8 {& l+ M* ]2 O7 E* ?$ M

' R1 N. |0 E. h- P
GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；  输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态    除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

- K5 ~9 q" x; {) E, v# K复用推挽输出（带上拉或者下拉）
- k0 s1 [4 c6 u! w4 A3 M
5 O3 k& V8 Y# ~% W

% E0 Q6 [4 r4 M7 O& L7 y1 t% |) DGPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；  输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态    除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同
$ x0 I/ @; C! W. n' L8 z( d
: p- p7 K! ~2 h/ q) U
) U6 r, [  k2 A9 x! l  Y6 N; O% L开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：

可以输出强高低电平，连接数字器件
! M+ }7 D* A( P. q- d$ X
推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.

开漏输出：

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. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平  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)；
# |- K% p8 b/ ]- j/ ~4 b; I+ f  y
在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平

; b2 g4 H  b0 b: u推挽输出电路： 其中IN端输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当IN端输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平   

开漏输出电路：IN端输出低电平时，三极管导通，使输出接地，IN端输出高电平时，三极管截止，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须接上拉电阻，
: C7 X0 Z) X+ g) W+ j9 D4 M( ^
在STM32中选用IO模式:

4 n# W7 ?7 {* c$ E1 k 上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
- Y4 J2 s7 i5 Z6 m) Q. e- D0 H. H" a模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
) Q4 ~( }) T" Z, [开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要"线与"功能的总线电路中。
推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
/ ]3 p6 n1 L9 ^2 Y4 d复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
F4系列与F1系列区别:
" V$ _4 A+ W7 [本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核  而F1系列采用Cortex-M3内核

8 |& o6 K" Q5 A# }9 EF1系列(M3)IO口基本结构：
; }/ @! Y, ]3 h: I6 m% J
7 a& O3 g3 u2 g8 a* W

, h+ S# ?$ \; m6 G8 U1 t
F4系列(M4)IO口基本结构：
2 i* B- Y6 ^+ X; t- L8 V- S2 g  B
. Z1 o3 B7 u5 z- T4 ?

! p6 l3 n' V# L. R$ h  x
9 V# f3 ^$ n/ H2 C) \% LF4系列设计的更加高级与人性化，他将外部上下拉电阻转移到了输出/输入驱动器外部，使得输出模式下也可以实现内部上拉与下拉，方便了用户的使用，增加了灵活性

/ d9 T0 H" q* ]" e  f  j8 BGPIO的初始化(F4)
4 U: A9 V3 `) n% }) m: R+ `这里我们以初始化LED为例

/ j" r  u6 n' C1 I& W$ r( h1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

" ^" g6 R& p% {5 ]# ~3 f8 s

1. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/

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一共有5个参数
. R' x  h) o" f( T/ C3 e1 i

6 D3 E+ x! L0 o


( \; A; j' o  }) m, T3 `4 h2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
  p5 O2 ~/ N8 N) O
1 {- R! J2 z" |1 U8 n

1. RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);     /*开启 AHB1时钟*/

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   Q:为什么要设置时钟？
" V" E+ Z# b5 J- g4 q
: w( I. J4 W# {: U3 X    任何外设都需要时钟，51单片机，stm32，430等等，因为寄存器是由D触发器组成的，往触发器里面写东西，前提条件是有时钟输入。stm32是低功耗，他将所有的门都默认设置为disable(不使能)，在你需要用哪个门的时候，开哪个门就可以，也就是说用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以，   其他的没用到的可以还是disable(不使能)，这样耗能就会减少。
+ w. [$ e; F; v/ s, k6 ^/ D$ J
Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？

因为首 先 STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率， 比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁 干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

' f; S4 \7 g% t4 t
0 ^- _( ^: I& ]. K4 ]! D而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到
% v2 @3 S( D- D
& e2 V: R) y1 s0 A3 j7 [RCC_AHB1

3 l4 C! u* I8 w" D
3 }  c+ w# {' m2 w" g0 n' w, LRCC_APB1
/ E4 b% W3 N$ w9 D# m" _' K

4 @: w1 ^- k' j3 s
3选择要控制的 GPIO 引脚
( M& v$ [9 o2 B

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  /*选择Pin9引脚*/
   

复制代码

& Q$ _5 ^+ v; [$ g' {4 U可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

8 F/ f; J1 E/ y1 k

% v7 U$ f5 a+ c! Z% m4设置所选引脚的模式
6 m  E8 K. T0 A" I1 T% N: G

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;   /*设定为输出模式*/

复制代码

引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

% r  c: ^! \4 K

4 [, v# }. |! w

( l- |9 a( Q  r5 H3 l6 Y5 设定所选引脚的输出类型

1. GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

复制代码

: S0 G6 }$ n5 d9 N2 a% x输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   

, P& F0 X% J. B) X/ g
3 C& C9 A: Q5 \& u. X; F; ]只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

  b! ^8 W1 M3 |% u1 w' G/ `9 L6 设定所选管脚的速度

$ @. u. L5 E3 m" D, k

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz  高速模式

复制代码

3 L0 a  h- U) [& @8 w" B

8 B/ p; @, `  j7 j/ w, |: ]4 ]4 d

7 设定所选管脚的上拉与下拉

1. GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*设置引脚为上拉模式*/

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! o  m) H8 D7 k* Z* l5 M+ `3 A可设置为：上拉，下拉，与浮空
2 y! ?9 J8 _) z8 ]1 L

8初始化GPIO

3 T: V/ B/ I  Q* ?6 A

1. GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);    //初始化所设置的引脚

复制代码

! K  C: q3 p' W" R- V, @: z, t' ?GPIO_Init() 是官方配置的初始化函数  第一个参数是GPIOX 第二个参数是结构体所对应GPIO各种参数的配置

9 b/ H, V! i& W3 r: U. o! S4 F( a+ AGPIO的初始化(F1)
/ H, q$ w( k  Z% X* J* mF4的初始化相较于F1系列有了很大的改变，在配置F1系列时，结构体只有三个参数  
8 W5 K3 u7 c, k7 K, W
GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

+ o, g) d6 y; c  v; H6 w5 G' m& c

  d' A+ S" e: T+ }6 ?" u) Z
所选管脚的速度
1 M# H5 \& E5 L5 z' @6 f
7 C" R* _# r# f2 H1 N+ K; s4 E

1 t8 h" R& @; p4 f
所选管脚的8种模式

' S' a8 ~5 w5 j9 t" a8 J

) J' y  v2 b& v4 ]
6 f! _6 P8 y% i& L3 n3 P区别：
" l  F  R! r6 g( ~
F1(M-3)系列管脚速度只有三种模式  并且管脚的模式配置八种模式全部都在一起定义，直接设置即可
! w3 V% a. U5 t3 p
总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可

6 a; [1 ^- J; Z$ O3 U+ B( ~' E

1. void led_init(void)
   
2. {
   9 P7 ?. _. @+ R( _# C( J
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
   
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
   
5.         
   $ G- V- _" }4 D2 I. M' g, T7 x9 n
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
   
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed   = GPIO_Speed_50MHz;     //配置IO口速度,仅输出有效
   
9.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
   
10. }

复制代码

: V6 c" T/ Z# i* Q

2 p7 m. F) `) w) A5 z# I" L, }" [
6 \* V) w( ]) m& V) z