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。

; _$ {9 u$ W0 ?* I" L( J: m
& |6 ?- i, c+ ^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  

/ y) j  B1 p9 B/ y7 H6 a
GPIO的复用：
. `0 `; ~. l8 N2 u" |1 z. v
. O/ c/ S6 D0 u0 h% R* V! x
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
, i7 o3 b3 u* [- k- |
2 GPIO的工作模式
1、4种输入模式


（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
) Y/ i* g( M: Q) y9 o（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
% V$ e9 U0 Z5 q- y/ A5 \' [& J! x4 t（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入


  t8 l- a3 ^+ N& P: j2、4种输出模式

1 c) S0 ~' f" e
（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
0 B, ~* M/ H) }+ b% H" Q$ S（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
  |) l$ `7 t& Q5 H5 S（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）
7 P4 S  V8 n6 g  n" k# c0 W+ ]3、4种最大输出速度
（1）2MHZ  (低速)
  t  p0 X$ P7 F% Z4 G（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)
- D$ W8 y6 V6 M; j' X: k
关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义
4 N! B5 @. S$ L: D) e6 V

3 GPIO框图剖析
3 o3 T0 m- U& ?/ ]5 [
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：


/ B! m3 I- _+ H* G6 U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
+ T( v8 o5 u( x% w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
( F" B, M& u, L  l& }7 LTTL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 E1 {4 \" Z5 R# ^! ~3 o 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
. J, n3 K/ a$ {; a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      

/ r* v& v( G0 d5 g1 n7 f1 k
/ k1 E  o* W! }2 f9 ^4 Q* W! y 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 U5 Y: n7 Z$ j  [9 t; A* J3 K' J6 l3 I" a4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
         
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


5 S) u6 y4 q9 T' V; N上拉输入模式
4 D$ t8 u2 m/ }& y+ S; 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


7 l  W8 Z% f- J* 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。
$ a% ~9 u: Q" P3 _- R' Y5 l* D

下拉输入模式
' e# U8 W. v% l  Z+ B1 d      
4 a2 M7 N5 G/ {; D: Q  D 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
& `! V  {' \8 A/ q          
& `2 w8 v; M/ G9 g2 f+ k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

, @% ]+ R* [, |2 _
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，

9 f" r3 h9 _  c2 B9 z
开漏输出模式（带上拉或者下拉）

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
# A' C" {* k# _/ f; V) g5 e
" Q; K' ~  H  b% a9 M/ y. C( c6 v
, w: h, q! X& h2 _9 f; g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   

! S) C5 p( f4 o' ~; ]1 R
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


6 U1 L! {; `: ~7 w2 g" t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）

: D2 ?3 i* _2 N3 ZGPIO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
# }" W6 U/ R6 i  ]& c7 z7 `
* p& z6 |$ v' y: n$ i! @/ o+ l' V
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
% g" [4 V$ a2 O) w0 w1 H! S6 V
3 L  G* X9 `; J8 C5 I开漏输出和推挽输出的区别：
1 M. W6 J/ `  J; [3 v

( V& A. X' d2 E- T5 _2 w3 i6 C推挽输出：

0 C2 V2 |* C4 n& L" [
" G4 e: N. x! k8 {, {可以输出强高低电平，连接数字器件


, ?3 b* G! y4 O" L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.
/ O3 B7 `! X, H' P& \: Y0 M

# z% _4 F# a+ T4 }3 y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)；

# F, Q: ?$ }6 n  U
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

" r3 Z; H0 Y' Y. P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   
  c4 q, ~% b8 g2 v, @' |/ S2 X1 r) y
2 ?0 T! ^( W! }$ H0 s- 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，
2 V0 n% p- i, H. `

; G) }# f/ T& J  [+ c在STM32中选用IO模式:
! T/ C' j* d9 X4 @& ?
) u+ q1 ?: U' i, S* r& V
2 y" ?  z1 ?) E( F; `; A$ j7 X 上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
! S9 S+ ^5 n) `! x7 |, U  @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。
. G1 ^' \2 D: b" 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。
# ]/ c& D/ O5 d0 Y% L, m6 F4 m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:
9 S$ @, ]/ @5 X! t: Q6 L, w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

+ T3 _0 E8 G# s) F8 {1 V0 a+ h! c
9 L& s, q6 [; x9 `& a7 G2 OF1系列(M3)IO口基本结构：
' {3 {" l: Z2 g
6 L- U( Z5 M, A1 TF4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
; p" C9 X5 j" ^
% H$ f+ G* K7 T; z0 F% p* P2 gGPIO的初始化(F4)
这里我们以初始化LED为例
/ ]7 I6 k/ m1 H8 h9 c& |* m
, m  L. K; l+ \& M5 L8 T
& d) }, h' K4 e& t: K5 W; S- W1.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*/

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一共有5个参数
3 q- C! q4 E  r
& u6 [  G/ O. I* W" V2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
/ Q; o9 z$ s! |. \! \- v

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？


. ~- o& W( m9 a, l5 G( w    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。
. f6 u+ v; c% [' W0 \

Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
. j2 F) ]* \! N0 R2 c+ \
* f( X/ k! V: ~. R% A! d
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。


8 [# T2 c7 f7 d; j3 u0 X
4 T/ M. k% ~* f+ F3 ~0 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
6 n6 g. G/ Z; S: M9 L* q9 L
9 c& m+ x3 ?' n  J% q# B
. n6 Z4 f6 P) d8 ?' ZRCC_AHB1

, k0 d; e4 u  s- N: \RCC_APB1
/ ?- W& R5 l7 H+ h
) w2 h' {3 N9 M& H, H: j  \6 R3选择要控制的 GPIO 引脚

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 R& C1 V; G) Q/ s+ \; W
/ N8 o: f" F" Z( T! w4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
5 m$ N7 T/ Z8 w% A" D7 ?* A7 g
0 C& ^" }! Q" V" m5 设定所选引脚的输出类型
7 U  k6 X! s& w! V- f( L

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   

+ h3 Y: K; @6 p) l只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置
' a- E& @" M! `, X3 s$ y* ]
  r5 \0 G# @' U  A) o0 k/ f2 C
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

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* U  j* s( l9 D8 b7 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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可设置为：上拉，下拉，与浮空
3 h6 D5 Q# z* q+ H
. x$ M6 v* ?8 e! ?8初始化GPIO
+ X5 \2 X+ \$ z& e' A

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
# m  B; F2 ~9 L/ D- e, V& ~' h2 y, \
! Q2 d3 g% w) ~* P; S3 ~0 lGPIO的初始化(F1)
& [' i& `6 X  q' t" w, 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  

; Y$ @5 A: T* p6 h% z3 `
GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

- L- }8 s5 J2 G: l0 F所选管脚的速度
: S( E% J# w( o
所选管脚的8种模式
; @0 {5 g6 @5 P! C
) u4 I1 ^9 s4 m区别：
8 Y- O3 F; e0 F, E8 L: l( @

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
( [. Y& k8 e* _9 O* r6 w

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.        
   ! g5 @8 p3 I/ ^
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
     K) y% Z$ U) c+ J5 S' O/ B
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   % h6 }& i! X4 `9 k/ q  ?
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. }

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7 _2 |7 A, ^7 P/ F/ e2 ~
6 \" @# X9 D9 ^* `/ V
5 n" U! ]: h" E9 q
6 r) v: v8 @1 L; L( M" Y