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。
, P& x- _) p: N4 ~* t, ^  w6 X
" c0 U  G- L. ~# ?: OSTM32F407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  
6 a; X  Z2 n4 G4 T! n$ Y( m/ W
GPIO的复用：

$ ^( Z; ?6 U$ E* |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

, X; p# e; E" J) G8 c2 N2 GPIO的工作模式
1、4种输入模式
6 D3 j! F2 r" W6 i5 R4 w（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
7 c2 F3 B  P* B5 @4 ?. M2 |7 n9 {（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
, d, G* k% O0 z% d: M1 h6 z
( b! V+ O7 H& N' p5 E' z2、4种输出模式
( u0 G/ `) i3 b- E& a: o( I7 w（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）
' M. b( ^& ], ]# {) G1 L（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）

3、4种最大输出速度
5 H+ n+ h/ A0 `7 @' D（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
$ h4 A8 m* B& h2 ]0 n7 R（3）50MHZ  (快速)
: q" C3 o4 ^% m8 M8 D（4）100MHZ  (高速)
. Y* @" W8 _3 U
关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义
" V- b8 ^* i  O: g* r5 W! S
3 GPIO框图剖析
7 j; m5 j: s) O
" i" l& K% F; V* r. @6 V

4 R9 Q1 y2 o& t" k& @7 |! \, I
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：
4 s" z4 ]% }" c! o5 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
) `- ^& R# r/ r  U) _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
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      
( b* w3 k; V' i/ Y4 B( i& T3 d
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

# `9 v# J, o  y( }$ N. x9 y4 l
4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
1 S6 r: }. ^( H1 X2 L9 V
' [- `4 [* G2 @% a0 u; h

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
  [8 S: L4 J( Y
/ R6 @7 f* F" |0 ^' s( u上拉输入模式

; F% N* A- h! G7 M* @/ a& V  f: c
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。

下拉输入模式

1 m; Z( J- j  z1 X7 w& ?; x  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

  M# R% i1 ~" U$ s模拟输入模式
! C! |0 E8 a/ `4 }3 U
4 Z+ C) E& {) v7 q" s: c6 e

8 M. Q1 `) W  N6 D, k6 w3 s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
' E$ ~: G9 A/ C0 q
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

4 n" t5 Q. w2 ~& [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，

开漏输出模式（带上拉或者下拉）

9 `7 z: x+ f5 ?8 _* o& t$ {: ?5 O& K

/ K3 M3 m6 C# ?3 Z. Q9 a

  ^* z: Q" K5 E  D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
/ p2 l" ]8 O2 y$ i- P9 R
: V! A- e' e/ U4 g3 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   
" o1 V2 O" g8 a! Z! P
" H3 i  E  ~+ Q9 |" x

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

* ^: v5 d( ?$ b9 |# I8 b. V) x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）
6 B, F: F- n, e/ r; Y& N. U
4 R/ Z4 J3 \* n* O; H$ C1 ]* o

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
7 ~5 O9 _6 d/ [
复用推挽输出（带上拉或者下拉）
& {% A7 f- ?* a9 }, R8 v/ m

/ N# a) P% e9 a( n5 K8 k
/ w* \$ T' k0 AGPIO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
: k9 v, ~5 B- b5 p2 H5 m& s
, J: ^# D) Z" E; F' L0 l$ h
2 N% Q3 c- i& |- [  G- Q6 w5 U开漏输出和推挽输出的区别：
' U8 _$ u" y) l# p
推挽输出：

可以输出强高低电平，连接数字器件
. {7 |0 T* H; i8 h# a! \
  M' Y6 X- M- ]+ W! N7 q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.

开漏输出：
; Z4 L, s. p7 y) W/ |7 u
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)；

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

8 {/ Z4 B  {0 H* e/ d: q

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   
2 ~) n( @4 |' x5 c
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，

在STM32中选用IO模式:
" Q4 \7 u* {2 ]1 Q
9 s2 i: b8 h( a* i 上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
  z" g0 O/ Z5 e2 ]2 J5 ?模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
+ r' g4 |* h+ ?) S! \% _! @/ |& I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。
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。
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
( z3 z$ z2 z$ Z! C  A& N
+ p& C' R- X2 j3 k( P+ a, e, JF1系列(M3)IO口基本结构：
& X( X& P5 |# L2 ^
  @, R4 ?$ p- P& u

8 l/ Q( A; t- N0 p
3 l  e% l: v5 M  u7 qF4系列(M4)IO口基本结构：

) m* W% o7 |4 i8 d6 t+ \/ s

( D# j$ Z" G! Y. d& W* T
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
5 K# b* _, }9 K9 d( Q! ?
GPIO的初始化(F4)
这里我们以初始化LED为例

9 @) E1 c9 P5 i! L% ?+ |; s1.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
4 O, |; M. z5 }4 ]. b& Z8 M

1 Y& Z8 C. [9 k0 C' i. [* h


" l. b0 A3 c+ t+ B2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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# Z; ]; C' N; D- i4 n1 F. W   Q:为什么要设置时钟？

1 M$ t  d) Z( P    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。
/ o( h- V' M- c( Q/ u5 F
Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
6 p7 I  z7 m3 g2 X6 U) G
! G7 G+ k3 b% K* l& {9 F, 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。

, l, O; V( M) |
: L4 ], `$ V$ s% i" Q" 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

RCC_AHB1
1 U. h2 y3 c. T: N/ N" v
& Z9 |2 Q( ?3 W# ?7 k

  \7 C& r: R' c2 J: _: W) B: f
RCC_APB1
$ e7 U2 a+ r& }. H2 Q3 K% V. ]
# t) {+ n" |' k5 D  e; u6 m7 F- |

5 o) G; y7 R2 C! Q8 [& r: g  S
- S( W+ ~% g; s. _" h3选择要控制的 GPIO 引脚

/ o% i. \; |% L2 s1 E2 t

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

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1 T8 V" @8 `3 k1 @  J0 j+ K可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚
' s$ ~& `0 a4 E) X4 c

1 Q& c% E! w9 \% u3 p
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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" o. Y/ L; B5 ~+ b* _引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

1 Z, x6 ?" o( `5 C5 设定所选引脚的输出类型
0 K- @5 X6 g& _, |" t
" ^) t* _) C/ B! H9 c7 r

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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) c# n/ Y& z' j5 f  s0 N5 c输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   

' }' {+ M; a. M

" ^- S$ A. Q- s3 w3 ?  D只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

6 设定所选管脚的速度
# p1 @; L% [8 K5 d( h
+ e( n/ j) r/ i" B) T4 f1 J

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz  高速模式

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6 `& q' a, D' y8 Y+ n/ t+ }

. g/ }, h) ?/ c1 c$ z

/ m" s8 Q) e0 P4 s" i( c7 设定所选管脚的上拉与下拉
. K! J+ c; a9 Z! Y, \

1. GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*设置引脚为上拉模式*/

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3 E4 N& f# e& s  P% `2 M4 P; G! A可设置为：上拉，下拉，与浮空
( n% @% p4 ~, S, `" Q6 M0 z
6 I6 Y! _# a8 Z4 ^  W! e% b! G

, ]6 K9 j2 W7 T2 h4 A5 u8初始化GPIO
& N% R+ m4 g1 k; T4 b
$ I$ i1 ^7 B* L" o

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

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6 O- p& X: B5 o" l8 wGPIO_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
4 Q: I$ i4 T8 d  \
* w% Q% V! F8 K" B7 r0 Z0 s: qGPIO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  

7 u* x7 l! `' \7 m$ E5 e, T GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
  b5 d: ~- ]/ O3 [

1 W/ x3 t7 i; x6 R/ C; N0 |
+ q) b! ]8 Q8 D所选管脚的速度
4 J  m8 h1 E) t; ^7 K
! S0 S* Y: I$ X% h

; y% K! Z. q! U  ]4 E8 Q! P
% l! h! Y1 \5 p' @+ L; M/ W( c2 y* S所选管脚的8种模式
2 W& o5 n" E- p8 z, O
% F7 @% A6 B4 }5 y0 b& M

% `8 N6 m! C3 _$ d# o
7 y$ }- m- m  k9 D  l. }% L区别：
  m: y& J! O- D* p% n8 \- w
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
) v% C' Z2 d) B5 C* p+ a; f
总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可
6 t- z7 K2 B4 H: \0 X; c; d

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.         
   " k: O0 v1 s3 e  C$ `7 d- H* ~) U; S
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
   " `0 q( I6 n& \3 J9 w; E
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   
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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5 ]. T. i7 q; p( q, ]# V  R1 S

) U/ E: Y* u* C2 k