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【经验分享】STM32F4 GPIO八种模式及工作原理详解

STMCU小助手 发布时间:2021-10-12 14:15
1 GPIO简介
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。


STM32F407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

2 GPIO的工作模式
1、4种输入模式


(1)GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
(2)GPIO_Mode_IPU 上拉输入
(3)GPIO_Mode_IPD 下拉输入
(4)GPIO_Mode_AIN 模拟输入


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)
(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)
3、4种最大输出速度
(1)2MHZ  (低速)
(2)25MHZ  (中速)
(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


3 GPIO框图剖析
14.png
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:


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
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      


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
15.png
4 GPIO的八种工作模式剖析:
浮空输入模式
16.png          
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


上拉输入模式
17.png          
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


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。


下拉输入模式
18.png      
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

模拟输入模式
19.png          
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


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)
20.png
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   


推挽输出模式(带上拉或者下拉)
21.png
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   


复用开漏输出(带上拉或者下拉)
22.png
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)
23.png                           
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

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


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);


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
24.png
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,


在STM32中选用IO模式:


上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号;例如,按键等;
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:
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


F1系列(M3)IO口基本结构:
25.png
F4系列(M4)IO口基本结构:
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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)
这里我们以初始化LED为例


1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
  1. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/
复制代码
一共有5个参数
27.png
2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
  1. RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);     /*开启 AHB1时钟*/
复制代码
   Q:为什么要设置时钟?


    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。


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。



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
28.png
RCC_APB1
29.png
3选择要控制的 GPIO 引脚
  1. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  /*选择Pin9引脚*/
复制代码
可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚
30.png
4设置所选引脚的模式
  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
31.png
5 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
输出模式有两种:推挽输出和开漏输出   
32.png
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
  1. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz  高速模式
复制代码
33.png
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*/
复制代码
可设置为:上拉,下拉,与浮空
34.png
8初始化GPIO
  1. GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);    //初始化所设置的引脚
复制代码
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  


GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
35.png
所选管脚的速度
36.png
所选管脚的8种模式
37.png
区别:


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


总归还是大同小异,不做过多介绍,看下下方配置即可
  1. void led_init(void)
  2. {
  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.        
  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




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