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。

# E8 E- N4 I' |' k- Y, p
8 R* y. m( ^( j3 |3 DSTM32F407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：

- a- f7 _$ N$ y. }0 T( Q
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
7 ~$ x' U0 Z  N/ E1、4种输入模式


. o. y1 y* a: ^4 ]3 d4 x（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
" G, ]4 g5 v+ V# P: C（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
' o4 F4 G5 U  A4 ]
/ L& ^6 {* Y3 E  D
2、4种输出模式
' {3 q- G0 A- @/ o, }3 H* `
" g% p5 Y! z3 r% t
! [8 I& d7 L6 x3 M. L6 d9 c- G（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
/ V3 k1 P, C# U- a0 y（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）
6 g; g* ]) c6 i$ d（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）
2 F" N) i2 w! u. g$ Z# [3、4种最大输出速度
. j5 j' g5 B& v" T1 {0 u（1）2MHZ  (低速)
3 b6 {# N% w0 ~' i# m: A（2）25MHZ  (中速)
' b: X0 C/ |$ P4 L' j（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

7 q, i9 m6 e! A1 {0 a关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义

8 }# K4 X1 a" ], y. m4 {. b
3 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：

& Y$ A9 g6 O; Q
7 Y5 M* h) @- f# t. ]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
+ M2 e0 K2 G6 R# Y8 K+ C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      
7 y. ^& U- G' K: \8 `* V1 o
' ]# @* ]7 n$ H/ |+ i+ W
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
2 F! @" h% l- u2 l! G
4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
& b; H1 Q# A! ~          
) K7 s' F$ a% t) I, g6 D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
: x* {2 h  W) m6 ^! z5 p/ z

$ B+ ]5 B+ D8 G1 f: S+ i上拉输入模式
* m- p0 e' v% z4 v( w) O8 t          
6 Y8 D1 O4 |) W' Z5 G8 y( J, P( E 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


. e+ S1 L1 ]5 B: u+ ?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
     
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

: k. M5 ]$ e8 P模拟输入模式
9 P4 N+ i6 o, r+ ]2 [3 e, y          
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 Q! z& o0 Z* _" O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，
# t" c, ^# U  Z$ y# p9 u& A
) u# \3 B! y1 o8 d4 T
: t. g; \; {. \& i$ f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


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   
; Z+ q/ {5 l$ j/ ?% g! R$ c
: e# o; Y1 ]1 e! \& l8 b; r2 x: `3 C
! h9 b- c. a4 S+ Z% h  j9 d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

- x! \/ `3 n. V+ ]3 z! V
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   

% b& u" n6 i( [- j3 _
$ x$ ^% P9 t) x: m% ^9 I复用开漏输出（带上拉或者下拉）
$ L2 O8 Q7 ^/ ^- W0 D' S) x
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
5 v( K- k& \9 i) V8 f+ p

" I4 G* U6 l6 k- z% m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
& M6 r" }2 x9 @9 T* ~8 o
) ~! N9 i; J' s1 w2 b6 Q/ {' O3 H开漏输出和推挽输出的区别：


推挽输出：
  J1 ]  Z7 r# |6 a
! L6 Z* {1 P+ S5 v/ y& `6 @9 z
可以输出强高低电平，连接数字器件
& X9 H* j" U6 H; k  x, |

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.

) ^6 O- \7 s0 e9 s& K  A
# ]+ n. W9 U! i! w$ Q  e开漏输出：
* L5 G6 ?& X. I$ |/ h
9 ~' Y1 Y) d' A" @$ W1 Y
9 X: N! r" Q) m3 x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)；

- j7 ?3 Y) Y6 o4 ]) Q' Q
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
- s$ b- o8 {  Q7 Z9 M* V; x5 E5 }
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，
" a( E8 C  a# U0 ?( c" x9 e) q

在STM32中选用IO模式:
' X8 q- N- Q* i9 \  Y
7 D0 \7 T6 M, M! ]2 g
" P4 \. D2 U2 I: Y& Y# ]6 o 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。
8 [5 X% l  [* n$ e0 a9 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。
5 X0 `: @* q. c7 e1 l4 \( ^# b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
+ K8 o% _1 n9 `% {/ W  q
$ H5 L1 v. k' G$ D, d6 c
4 `5 O7 v% O& W) a9 I8 l* AF1系列(M3)IO口基本结构：

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
" x) O3 E( }$ z) `2 F7 j& A# @
5 s) W" c- {2 ]' ^9 l$ _GPIO的初始化(F4)
这里我们以初始化LED为例

* Y) f2 \/ {0 j  L$ e
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*/

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一共有5个参数

1 h1 V' h/ B' t- z4 I, t! g- H2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

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？
7 y8 T1 A; ^% K- c" 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。
& Q$ V* k8 R- |) l4 _/ N2 }  R
1 q  G" n/ ]. ?% H; p0 e
, l4 j' y: [) \: @Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
3 s' d' }* n9 K7 S4 P6 H

/ d1 e  R. D  E) j2 b" q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。



6 ?  }2 x' j5 c9 W) k( J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

- b+ p4 E0 M) F7 n3选择要控制的 GPIO 引脚
. }- ?3 B6 ^0 f- \% i: I$ D6 B

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
4 ?9 p. M' m& d- Z+ |! u* R9 Q  P
) A) x$ H2 t/ v4 A* D- G4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
' d1 k+ v$ x! _5 p+ p$ o" W$ l$ E. X

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   
: {! o2 G) T+ V6 q  Y) y
只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置
5 r( ~& _# B1 T' S8 I

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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" x% i2 A  p% I1 |! X7 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
$ F( p" s* |7 J$ \+ }- ~! Z, ^
8初始化GPIO
) N" L& F2 P* V% s4 d

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

GPIO的初始化(F1)
, [" r4 X5 C7 L6 n" a7 v" SF4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  
. ]0 Y5 ]- m' k  ]
( `9 `3 _1 A) r5 j7 F( r5 ^# Y. j
GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
8 k2 J9 a8 |1 D$ K: n
2 ?5 m: x3 @( T; d5 ~所选管脚的速度

7 k9 b7 K: i' H% \所选管脚的8种模式
( T: v" T8 c# v% T( D
' |/ d. ^6 g$ M; ^区别：
. r3 h% G, Q3 s0 P" a5 G

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

* J9 X( i- q; [; r* r! u
. l) o$ f' M  U& r9 D; o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)
   - m, }+ k4 y$ i5 m' q3 P& ~3 e$ j2 K! F
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
   " B0 \$ s( n3 K3 z* U9 R
5.        
   
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
   2 D$ a" d' S% E; I. h5 ^
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   5 P. R0 ?- f# F% @
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed   = GPIO_Speed_50MHz;     //配置IO口速度,仅输出有效
   8 D; U7 W  g' V! |  L/ Q8 s
9.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
   ! O7 h% {2 h5 k3 S9 Z% Z1 b) W# w+ b
10. }

复制代码

& r3 ^: T) |( q+ k' o# K
5 c7 ^& W6 E7 @7 v3 v4 I4 f