1 GPIO简介
. E9 ?: u1 Y% c+ e! h' e$ f( c& o9 ?GPIO,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。
& ]4 z+ Y+ j, H' L
( I+ [4 ]1 c( DSTM32F407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  

1 }2 r- o- `  ~, U! x; Q6 J8 e5 oGPIO的复用：

% j: o& o* Q9 Q$ v3 P. W; xSTM32F4 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

  Z7 H, D5 |6 c$ q5 Y$ {- f: F2 GPIO的工作模式
& p% e$ c. c7 G1 J2 Z2 \3 k$ L( c1、4种输入模式
（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
$ M- ^# ?+ U9 I（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
* {# w+ t7 K/ O4 Q（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

2、4种输出模式
9 s' U+ U5 W% g3 B* W（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）
) Y, k& X) @, l/ S1 Y" z% ^5 O（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）
- r  a  {6 M* T% Q$ R: ^5 _- P! M
3、4种最大输出速度
% V7 ], R7 {% a' ], [( Z% A( _( Y0 q4 l（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
  z: K+ B& ?- z  N; Q（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

0 F: v% q/ @1 e7 E, j. R2 k5 S7 t关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义
  x$ Q9 B( `3 x6 M
3 GPIO框图剖析

8 t. r+ A4 r# u) s2 i+ z" H

# S  f) I+ J6 f7 f" `. E
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：
! x: {0 M; Z9 M! B7 h" b: Z
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
2 ?5 a% i5 \2 m 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
- l* s" h# ?8 [( m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      
, b7 o2 u4 N2 H$ J- Z# U# |8 t" v
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
5 {8 T! h3 f- d" l+ I7 {
% ?0 S! C* \  L$ [

) |$ _% M. B2 d- |: E: Y
' B5 \) J9 q. ~3 Z' E. E" C4 GPIO的八种工作模式剖析：
/ `/ k3 ?, E1 D; u0 E3 { 浮空输入模式
# Z7 e! F  E- M* O
4 ^% E1 p+ Y, [* b# j

0 s( ^4 E- t+ V- V3 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
$ z; O( L! L0 T9 ?8 I
$ M3 o3 N& p# d. r上拉输入模式
7 n$ M1 R9 K( Y$ z
4 W7 k% I+ \/ X+ G4 s5 l

- V: B  f; k; U) Y
% l; ~% ]4 _* a% R# ~ 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
3 ^7 A# m* I& `$ U! @) C
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 V% J( c8 `1 L  p9 O' B下拉输入模式

3 O' \2 i5 x4 ]

; t3 c2 {  {& `- j% V7 b
; W5 T: `) O( H4 X 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
# @2 l- _) R3 X0 r
模拟输入模式
0 w, i$ u. t! E8 `  I# L

$ L. F) ~# ]. j7 Q1 [- }* D
' I3 M5 w  }3 }! F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
- e# A+ Z/ K  Q1 T. q( l
+ [3 U4 {/ Y. l/ T6 N  ?& M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
8 L- Z/ g2 u0 f& n
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，
  S0 i# }4 s! ~& v
开漏输出模式（带上拉或者下拉）

( {2 p( M( W* g/ z% l3 b- |, w

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

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   

' P# s7 F# \- q
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

9 e7 {+ O5 D; G; z: H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   

复用开漏输出（带上拉或者下拉）
& a# \) Y$ Q' Q6 r3 v
( _1 `. ^4 Q8 ~( P, z# b( Q) J1 f! z

# y1 x9 L# t* j, |- x% ^( c7 e
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

复用推挽输出（带上拉或者下拉）

GPIO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
5 d$ a% ]! y2 c% D

% U" t( D+ X# j7 s9 h开漏输出和推挽输出的区别：

+ \8 x8 ?1 K; |6 `# Q" N2 D推挽输出：

可以输出强高低电平，连接数字器件

9 {9 o- o" n/ u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.
" {5 R4 E4 s6 `! {) x; w7 h# Q6 D
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)；

3 |9 O/ L- G, W" a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

! y! n: Q% |- K9 b
9 u8 N9 z$ U  z& D6 e5 P- H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   
8 F0 [$ e; j. W9 i
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，
. V0 G: O) i2 S0 B
在STM32中选用IO模式:

" L! A& d& f) O' q  ` 上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
; D" ]/ Q+ ?  U2 ^4 |8 f& ?模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
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。
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:
- n2 l$ R1 A( H# J& v" |. x( o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
2 f( S0 p9 i( b; a8 ]2 N9 Q$ I; D' n
F1系列(M3)IO口基本结构：

" X( P" C4 n+ \0 n! c( O

( z2 t) o" O2 h! L
F4系列(M4)IO口基本结构：

: D' h$ a' U3 |6 g' ]* u* J

3 u+ k4 g  O% u4 y- C2 Y
F4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

GPIO的初始化(F4)
6 t2 T1 V6 F# [' T( L这里我们以初始化LED为例

5 Y8 F4 m' m" M: u+ X7 t1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
7 r( f- Z/ D* ?4 {. H( N  x) s
. z" [/ N( [5 Y3 o( H

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
5 u# }3 B$ @) g  N

5 S3 n' }$ Z. k8 V, W3 d# x8 R
6 v+ F! K8 ^) H+ D2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
0 \* {) Y+ T! m. v

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

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; e; s+ Q1 X2 w   Q:为什么要设置时钟？

' A0 q6 C3 n- i; R! j! s, t    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。
3 C' B( i; r" C$ J- V
3 ?- D& J$ Q; H& O# ^) ~2 r4 @Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
0 X  o5 j! J1 \" w3 q* V% [  Q
7 a+ ?) ~- l; G7 n- n3 Y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。

4 N# y5 x4 t$ x6 I6 p
1 J1 n: c* S0 G+ q( V而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到

RCC_AHB1
/ R. B0 x4 N7 p1 Z

RCC_APB1

3选择要控制的 GPIO 引脚
9 F; p  O* ~$ B; i/ h% M" L
+ N, ^4 D# F% p- P! C2 u- q9 K

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

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" v0 l  x) @$ }  p$ ?3 \可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

' p) c7 Y7 I* N4 M( Y! _

9 d3 I% h9 q! k  F4设置所选引脚的模式

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

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引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

3 y2 M* \5 ]- R: D' R6 u: ]( v) I
  A: U' ]/ Z/ i
; y3 K+ d2 h7 Y8 Q8 x* p5 设定所选引脚的输出类型

/ _- a  p- P6 x/ o

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

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/ U7 S( H$ F" H9 Q: E# g输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   

9 s2 g6 v5 W/ y3 E  `

- {1 ]7 G/ ^, c4 |% J8 v/ j( u& C
( s+ u! g0 e5 c# K只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

6 设定所选管脚的速度

; t9 F3 D" d6 E6 O& K3 j

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

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+ V1 a+ }5 l8 G( f( d! |
. b6 O4 _5 l8 p; i
7 设定所选管脚的上拉与下拉
2 d' N" w  }2 C9 p  G

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

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可设置为：上拉，下拉，与浮空

* ^$ u1 h$ [4 @/ g5 e

/ P) a. I1 x/ K8初始化GPIO
0 o. M" ^6 Z+ s0 o7 ^5 I

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

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# U" n+ I$ ^8 C' }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

GPIO的初始化(F1)
F4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  
0 h$ d  a$ K4 S  A" L& v0 z, W
GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
. s0 F& ]2 W/ H) w  z: M

9 y/ }; u! y0 l  z' i% w
3 Q. A1 u, a5 |5 x, a0 i: k所选管脚的速度

所选管脚的8种模式
' {) k3 p. H. ^
) r+ |' e/ s: E- Q

区别：
( y7 ~: X( O2 E/ A
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

& v% K/ i# w# T1 Z* S* [+ j8 g总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可

$ i( |; u4 \: V8 i, D* \: T3 D

1. void led_init(void)
   
2. {
   
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
   5 c0 {6 B- e4 l5 W5 s- v+ H! v8 c
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
   2 t+ g& {7 G) _4 U5 W6 v. _$ @- E
5.         
   
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
   $ l( B: Y& p" W& L/ ]
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
   $ h# g- Y& P2 u* v; {4 V3 E8 s
9.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
   
10. }

复制代码

" w$ J, A; r# |- ]6 ~# Y! ~