1 GPIO简介
+ P! V& O6 S% S! x; uGPIO,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：


8 w6 s, a; z5 |* M' H, [& L% lSTM32F4 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
4 c8 a4 G: D& U4 p+ e, O1 o  r7 j
1 @& ~/ @1 C3 g) U+ T2 GPIO的工作模式
* y' U3 @! A/ G5 B4 K, j1、4种输入模式

0 _+ H9 Y* M8 V5 n4 a- }7 n$ i2 B
1 y, o" Y4 A, Q. e  v  P: m（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
' H+ I% G( p# r$ M. b/ [2 p（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
! B7 h6 G) e8 n* d% {0 q0 ~+ a  Q& T8 D（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入


2、4种输出模式
8 s% T9 z( o$ O: h0 V/ F$ G

（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）
) q2 z) x$ z2 D* J: y3 h% T+ Y; Y. @（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）
0 z. A: H, L" ~3、4种最大输出速度
（1）2MHZ  (低速)
4 z% q4 e; O6 m5 F' f; S（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
/ E/ V& r; S/ N& H（4）100MHZ  (高速)
2 j$ J( U- l9 x/ N- a% a
) u$ |# ]& w5 U% V关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义
: V. c$ M8 V9 q  g  Q9 k6 \0 w
) M' G9 L3 w( ~+ i
: t1 c$ S; O9 G; S3 GPIO框图剖析
2 e5 a1 x( L3 a' ~8 {4 \% z
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：

. g7 d# {; g! V0 l/ w- g
5 a0 W+ h3 S% L) f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
1 ]8 N: u+ {9 v" E3 t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
' b# M& @8 z5 \- ^: ]6 f 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      
( Q0 ?2 Z, Z9 V
+ I3 A, E  H" g  ]% f5 h/ z4 y+ J
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

4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
2 O% j$ l/ v4 E          
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
! ~2 L: N1 z0 r' L8 ~  g9 V4 L( ^
" c  w: I3 ?: |$ C: b, l
上拉输入模式
3 o/ w9 i4 w! w1 B          
6 U% C/ _+ U. y  z 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

+ f8 e  @: j* K) W- j, V
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
: \% e  H" x6 ]/ F4 S2 J      
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
         
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
- z' ^8 R, \2 o' M/ F1 ~  F9 l5 w: h
2 u( Z, S8 Y$ {' y
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，

  t3 }% x3 i! n0 t2 W2 Z3 {9 ^
开漏输出模式（带上拉或者下拉）

9 L) T0 Z- O0 z1 g- w  q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

5 s, D, ^% B9 u* b3 z6 `; J
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   


* L$ W7 r8 K. ^1 T  A2 e: M推挽输出模式（带上拉或者下拉）
8 {0 t4 ^8 z- t8 ~* U9 n* n9 r
6 L$ T" Z8 V5 A. j3 Z) N( J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
- A4 _" }0 _; F

+ w  u$ s% F1 a$ {0 V* E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   

& X3 e8 b; L4 L! i/ Q0 ]% g
复用开漏输出（带上拉或者下拉）
- e, h8 c. m" f5 M4 A; s
3 k# w" W4 J5 U- i4 XGPIO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
6 A# x( c7 D0 d! Y

: A+ j1 F) r" V/ |, T* v/ D" `8 p复用推挽输出（带上拉或者下拉）
1 ]$ W0 n  G. v* R                           
1 C; O4 A0 s+ o  q$ {# U; I4 RGPIO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
8 T1 C! S1 W% I: C" Z$ `6 o
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
1 s; |2 s2 O4 y/ U! O" I
! {3 B2 U2 Z' I) d) O
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.

/ b3 ~( G" |5 u
开漏输出：
# `4 f! z0 h* w: r

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)；
6 G4 x+ o- m5 R, E% c- Z
/ S% j7 X8 f1 B, a
1 H9 K# t6 m, K1 S. c2 C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
  ^6 t4 U' _% `# M* E5 u1 B
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，
# }8 j, m4 D7 ^2 B2 h

在STM32中选用IO模式:


9 M0 T( c) k) D 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
0 T5 Q% [4 M+ O; q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。
: K9 M0 ]. k. o 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。
% X# K; F% W  G1 X6 ~6 y# Y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）
2 l* U( U# c* y) A! IF4系列与F1系列区别:
! \( N" ^# o0 T; T  n/ P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 i' Z2 o* j# k2 g

F1系列(M3)IO口基本结构：

$ z% a4 ^  @3 [, S0 |* C& s9 _F4系列(M4)IO口基本结构：

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)
5 w9 D/ [2 D3 B& K这里我们以初始化LED为例


1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
, o; X" v% h  f& T/ X7 r; \, n

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
' ^+ ^+ N* q  q/ s1 E' }
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？
3 S. Y- _& \: I) |

    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。


. V3 T2 s2 Q/ F$ n& k1 GQ:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？

! u7 J$ t6 P2 h% C+ d& A9 h
; Z- @) F$ Q) q: s  i8 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。
% D/ q& y# T& b) ?' j) G8 M5 e
; Y% v) }( x6 ]

2 x6 ^& N7 i; X# ?6 k- x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

RCC_APB1

( Y; H" j6 d$ }' |9 R) u" @( s, \3选择要控制的 GPIO 引脚
# o% P+ T; n" a; a  e# K) R

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

- C$ e( D& i9 Y; }4 N6 h" T, Y4设置所选引脚的模式
6 W) O0 L1 Y' O

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

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   

# _; w1 Q4 o, J6 ^8 c2 }只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置
2 S3 }! S5 J8 I

# U9 r; C: n* N" f9 z" b# X( t6 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

7 设定所选管脚的上拉与下拉
4 x2 A/ R9 f8 b# e) [. _, @

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
% d; H! r& l3 E8 u- I6 m1 z: n4 a
0 b5 }% k2 W% n8初始化GPIO
1 ^' x8 o4 g* _9 Z+ L2 r& z

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
- w9 `9 `, E4 }: @9 y9 {) G' a
GPIO的初始化(F1)
& R( t  v9 }+ q, YF4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

$ }2 b) m  \. [9 K所选管脚的速度
- ^9 y' w/ r$ E9 Z
; P. o) d& M" N* y; L( X所选管脚的8种模式
4 P4 ~' v! D; L/ F0 A
; ?' W8 L- v9 ]4 P# ]区别：

- C9 o+ ^% o& }+ M! e& X3 q
" D& S  E# N* l* j% X9 @ 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


* r6 M+ O) h: S! B4 }1 z4 ~3 X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. {
   ) e5 ]0 v5 C" B7 n& W* K
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
   % V, j  m, X' K, S% h( u
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
   ' P  U& g/ U9 f- H3 a3 v7 |
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   & p* a8 s( U2 K
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
   ! z  [# p# b0 C+ }5 F
10. }

复制代码

6 J  q# @! G* O: u9 ^. v

, \% z( c/ L  g) S