1 GPIO简介
, B6 h; Y9 ?% r; u8 L% d. \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。

! m. I! \, J; N& f! A
  J4 H+ Y" P( ]& f2 H5 fSTM32F407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  
( P9 @3 g" S* R3 b1 \1 y
( S8 a& |1 [& y; R1 s4 g0 F, g
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
7 U9 O* p9 |9 P% s. @0 j1 Q
2 GPIO的工作模式
. E+ ^. d) S$ b& \1、4种输入模式
- ]3 {, Z& r, u1 B
' h3 r& L; i  `  {6 E3 P% L
（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
+ V  D/ z/ _( ]8 j; J3 b（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入


9 A: m0 |, O% N" j( W6 q, R2、4种输出模式

  ^+ R: ^" ]( y$ P$ W4 h
（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）
2 ]7 f; {* t7 C0 I9 O" @5 D  d（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
) S5 l) z& e. ?（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）
8 ?4 u. R5 a$ d3、4种最大输出速度
! l- K3 z$ q4 C4 V9 t, [（1）2MHZ  (低速)
# X7 U; C4 y3 b( G4 d! P$ S* _% i（2）25MHZ  (中速)
+ q  ~9 @) i7 [1 g/ t" t8 C（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
' R) z' Z% r' o5 R

, A* J- e% G# \7 c* t3 GPIO框图剖析

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：

( S+ }# j5 D4 L, }& S4 @, b
9 [8 l2 g" F- M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
4 \* [" d, o$ O2 j6 {5 r) H' gTTL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
6 {# P8 G8 p% P! }/ P 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      
4 Q2 o: p  Y, @$ D  F* X
$ p+ Y; N; ]& g# e- d6 c7 c
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

* w* D! l/ Y6 b0 ?$ X1 g* q3 s4 GPIO的八种工作模式剖析：
) t8 F. l) w% B 浮空输入模式
7 j0 u  P$ V; `; o9 R# A          
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 @3 T6 q5 t8 `, m& l4 N
上拉输入模式
- ~7 @7 m5 Q; ^( b/ k6 ^( i          
3 \7 R2 \6 u; X6 U2 Q 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。


7 @1 [+ X8 D* n. r, c; h下拉输入模式
1 T7 U% s. c+ }( b& w4 `6 e/ Z      
4 S! e7 L1 b$ B 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
  K4 B- ^7 P, e. b, j
* T4 f( A! X' g( \- U" E: l& b' \4 f模拟输入模式
0 @' O8 w! d4 {( C8 C! g8 D          
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
7 `9 n  v/ d0 P5 m! c' G1 a) I
  `" p4 M6 V( W& ^5 Q* ~. r
4 r: `- l1 g) n; y5 n$ Z/ v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 z- i# M: d7 {% w" U" H% J
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，

+ b' }5 Q% {0 e
开漏输出模式（带上拉或者下拉）
* c$ G/ }" s% F+ N  E. h
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
( P# v& R) a/ ~6 |9 _1 E" ?

- x+ v. {; G, _" f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   

( h& [5 D! p7 W, J; l& X
& j+ I7 y- o# C6 w; V: ^推挽输出模式（带上拉或者下拉）

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
! Z) M/ _+ k8 n

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   

7 T' [' U/ n% I+ a, ~, M
) ^. W4 v/ ^& \3 V9 F/ c* R+ d复用开漏输出（带上拉或者下拉）
" P* n: b! o0 {( P; z4 W: q1 q2 J
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
2 b; [. ?: m$ A8 d, m

复用推挽输出（带上拉或者下拉）
% j- G* V' }8 [; S                           
: s! l; W! k' L8 d9 i/ LGPIO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
) @7 s  E& V8 B8 Z* n+ p; g
开漏输出和推挽输出的区别：
  c% }  N. r+ y8 x

  a+ U: B6 S7 m推挽输出：


可以输出强高低电平，连接数字器件
5 ?7 m# D0 p% j# d, v  V
; f3 G7 Q) v3 _/ r' i! A/ r# e5 [
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.
. d% [- q" D) w+ y

' \, P5 G; ?3 o1 ^3 u开漏输出：


7 Q# c% C7 ?9 B3 w0 [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)；

4 j1 c: `+ ]+ S3 ]9 I0 s8 {
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
3 i* m7 h" o: Y1 E
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   

; t" a; I" n% n& i) y# [0 J) L9 ?
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，


2 }. B* E# y: d. a8 q. L7 A% ~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。
+ R3 P2 p# C9 _% H9 C- K' u 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。
6 R6 z7 v' {8 a3 t& h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:
0 Z7 E# s2 s2 f" ]' h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 \4 E5 n+ p: c
4 U/ |( p% k1 _  _7 b
+ G0 _% c! l+ T( l  U) m+ q3 tF1系列(M3)IO口基本结构：
. R( J. d% a  c+ ]8 g8 e
F4系列(M4)IO口基本结构：
( M* |" f* T9 |" ]) b% b  O$ x
" ~" i6 r' E  n$ O" }1 e( @, M  SF4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
) G1 L* J, t( c! \
GPIO的初始化(F4)
9 Q% _$ n( b+ o* x这里我们以初始化LED为例


1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
. \# Y, Q- ]0 P9 O0 f3 ?6 R

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

2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
" F* I) R( \- |) ~- A

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？

$ F" o7 r+ A8 m( x4 A
# \/ r; L  l/ @+ q+ \$ 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。


$ J& i! N0 l( N4 L2 n; m0 C$ BQ:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？

* J% s  Y+ Y& Y# F( \
' W3 ^7 ]" q) E8 [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。

& W" y# X: ?, k3 f4 p4 S

) b- ~, q# {/ ?( W: K而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到
/ S% i/ F& M5 Z% s7 h
) V5 f; }6 E7 t) f( \  f' N
9 v; @. Z' M/ }/ `4 d6 w% URCC_AHB1

% O3 L; E0 }& ^* v7 DRCC_APB1
3 g7 n1 A& k+ P* p) t  ~
, h' q/ p' M5 ]9 x3选择要控制的 GPIO 引脚
! o: P/ u" E8 t2 j0 |) J3 _% p3 O% a

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

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可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚
1 N- L+ h$ E- w/ b$ y2 F4 Q' Q% u3 g; L
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*/

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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
" H( K- ~, \/ z2 _% `. C; c- }
' W1 k2 U! x1 x5 设定所选引脚的输出类型
- p) b9 D2 ^- H* B1 V5 b

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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输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   
1 l* M0 ]8 A9 R& A7 X. v
只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

8 I8 r8 p. ^% N- ~# }$ [4 ]
9 `3 P& q" _9 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

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7 设定所选管脚的上拉与下拉
1 ~7 ^' m( C- B9 o. T2 C

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
' ^) C8 [" D3 Q2 ^* O! f* Q
8初始化GPIO

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

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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
0 a. A  T% Q* v5 a0 S) J
$ }5 [- |' u, p3 y7 u! ?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  
: g2 C# g8 d# B( S, {: n

% D0 {& w* Z5 j+ u& H5 C GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
- d+ P4 A0 C( A2 `  y* A
2 H$ g: I1 h1 Q所选管脚的速度
  D( K0 b' b( }4 w
) @) n2 H9 {6 ^. _8 ]所选管脚的8种模式
& Z2 j8 z1 A% R, v7 \) R. M
% B5 x3 N' G/ w: v区别：
& a+ j+ w; j+ V% G' y+ F6 u

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

: `6 ]' G6 ~. b' n) U5 e: {
" W1 _% Q1 B; ]" [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)
   : C! j/ T  r3 ?. M  ?' l
2. {
   7 B6 Y% K& ^. m
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
   3 t" n; c+ l8 |  M
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
   $ c! X$ s/ `; ]7 V: S4 v3 b& u
5.        
   
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
   0 d6 g1 E0 }( E: b- n2 o7 i
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   # w) A% Q* R( r+ `  c
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

- S" D& T  d8 X


( h" a: j! K8 v7 f