1 GPIO简介
# l3 G) m' \9 z0 C+ \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。
1 L3 q8 D6 X" D# x; ~9 Q0 w

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  

, C8 K5 P0 y' h- O# v" \
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

* c6 i- A1 i: ]( b* {2 GPIO的工作模式
1、4种输入模式
# d: g) r+ e9 M9 ]: I* N# ~
5 v- I; {! v2 ]6 G) ~/ b0 `
（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
0 K0 m3 N5 A; L2 j/ R! W9 T（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
! W3 m  w' C- j( O# c2 X* R6 ~

2、4种输出模式


6 I4 D+ K8 b8 @（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）
/ v6 {1 b* _% b5 K6 p8 U0 W3、4种最大输出速度
（1）2MHZ  (低速)
5 X4 h! b8 G7 ]) C9 t（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
0 `+ N* o/ H, W$ o

3 GPIO框图剖析
7 Z# D8 d! w, v% J: h7 n% D
0 J2 X& P1 k. N1 k( J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：
) f) x, C/ o# s

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
/ T$ c( h6 A# g& X. M2 XTTL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
) \# @. Y: s! a! C 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      
1 I# U# f' S, N1 w

' r& n; B; i& ]' G* ` 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
6 F' P( U- q5 Y* @- }* e
4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
/ n4 U/ O  Z+ l          
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 z( G7 f7 f6 B- x0 x

上拉输入模式
, ^5 G! `7 `+ |- l          
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 F9 C$ |  }. o& ~1 M& B
* C7 F, z1 W' L" W6 L
% v- j. C9 j/ s. {8 a# wSTM32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
; k$ C# U$ C8 B& G& e      
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

3 N) s+ Z( z' U# X4 |1 Z模拟输入模式
( m7 K1 Z$ O. F+ f9 g* w          
# N3 [5 a/ L% F1 j" 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


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

$ o( X8 V/ u5 ~5 F) \
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，

5 k. Z9 s$ t9 a& X$ L. D5 L
开漏输出模式（带上拉或者下拉）

( _1 k0 ]# _) P* j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

# A9 |0 o' _. i
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   

# g) O& p, E  d# D# w
推挽输出模式（带上拉或者下拉）
! x) o6 @/ Y/ A# R" m0 A( Y1 N
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
+ C1 g, \( k8 P0 S0 s( n
' ^. \* m3 G$ n$ `9 q( m
7 ^, s( E; n  J. a/ S1 L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）

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

: S! P7 u) \! u+ e' [  |
/ ]; j& i) u' j! U0 d$ C  _复用推挽输出（带上拉或者下拉）
$ }. }4 s, @& W3 o1 k+ q                           
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

* t# p+ x5 c3 C开漏输出和推挽输出的区别：
6 j3 H- W% Z) F2 u

1 h& K: a; x# u, v, T1 D0 m$ [( T推挽输出：
  b* O) u1 ^, g; b8 E6 F1 ^
: x3 ~6 H& w/ w, N7 j, }5 n1 V* L! A0 Q
可以输出强高低电平，连接数字器件
7 R# ^( ^# |7 ~: W- V" s; V: v6 p
7 G1 d( U9 M; b6 Q, T
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.

9 O, W) k1 Q+ y, w
; U# a; o' B2 p$ L9 p& n$ g开漏输出：

& J! C7 c, s/ r7 I6 M! R  v
5 G. J) f! u. N2 u( C; x; X+ M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 C$ l6 w( A( |4 U( h- V* |2 O8 k

/ q3 x7 C6 h, M/ F% b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
% T; I8 F( y5 w
$ L6 w( v$ n* \: g9 N+ c7 P& x5 Y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   


& j. n8 _2 z" d8 |* {+ m6 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，
  u: t; o' W- ~& a

在STM32中选用IO模式:


* t- e  U' f! x+ P* Q1 C+ ` 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。
1 U3 k1 Q2 P8 V! t8 j 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。
- @7 Q# ^" L6 k复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
  `: H! S6 i, L$ F; F复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
5 I* {& z! J; Y8 Q/ LF4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：
5 a$ K: ]1 S3 a5 {1 Q+ \" `; C
$ b. X$ {- Q+ [+ ^4 jF4系列(M4)IO口基本结构：
9 T/ L) p  o$ z; U: y/ ^9 g% A
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
  G* f9 n+ g9 y, L' d/ ~
GPIO的初始化(F4)
0 m" n: T5 Y( y, t* D7 {这里我们以初始化LED为例
9 ~# [' r2 \, q: `2 P$ M; T/ L' O

( Z" [5 p% `1 k* Q6 m0 G8 M7 A& l1.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
6 L: g) g6 ~# Z, P* D: r2 ^
" s$ W/ U1 a8 G# K; S) D2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？


% k7 \. |! G. H# Z+ R4 [. e    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。
# }$ ^6 s9 L+ Y$ s) T# w7 e* Q6 i2 X
6 ^5 I, F: f8 l
Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
- v! X. v- d( E) ^
: Z: w$ z. X1 g
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。
% \) [( N* D6 i* {9 r8 W6 g
8 l' \6 b% {2 q* ?

+ ?; C2 Y/ ~) G+ [: V5 [- E6 _6 K; y而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到


* i" s9 i( |4 Z8 S/ G1 fRCC_AHB1

RCC_APB1
% Q: v9 u9 u* @
3选择要控制的 GPIO 引脚
- `+ h4 U/ Z. B: o* k- U

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
6 V! S  l' y4 J# b& C5 W. M) e4 M4 U7 J
  i8 A: p9 A+ ?, J, C+ V8 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 设定所选引脚的输出类型
% S. P# ^, t- T$ M/ F

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   
4 M; L* T; ?9 _% e" J/ K& z
  w# I2 i# o4 ^$ s只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置
& q! S1 Z: f, ?9 s2 \& y3 o8 B
2 y9 y9 Y& d. d: M5 k( g/ H/ G
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

* j1 ]( g7 M% o5 W9 @( a1 L7 设定所选管脚的上拉与下拉
) g; e7 S9 {5 p  h

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
4 u0 b" [/ J. q# r. G. n
8初始化GPIO
$ _1 A" H1 ]/ {" }

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

# D$ e" ~% U3 YGPIO的初始化(F1)
- i0 n9 i' P4 G1 qF4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

所选管脚的速度

$ w1 T% }, g6 l; b. n1 h$ M' b/ [所选管脚的8种模式
( P5 y( k% m6 K) Z' E  C- O
' P& s6 S( R6 f2 F2 v- m0 s) i区别：

" q: v- g3 }+ P% |
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
, T2 T4 M% a2 b* L2 `
- y  L( E- S  x1 o& s
总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可
$ L' s. L# ~9 h5 e( u

1. void led_init(void)
   
2. {
   # k% J6 I: U  G" k4 g
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
   , m0 ?- l* e3 g. k
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
   , _7 }. h& V4 ^( N7 K
5.        
   9 ~7 ]" }0 J4 b/ x
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
   9 o/ n9 K( F1 R
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed   = GPIO_Speed_50MHz;     //配置IO口速度,仅输出有效
   8 {$ o6 B# q$ d
9.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
   0 T0 ?( {# L" l
10. }

复制代码

' |( E) w4 z% z1 ?$ U) D