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。

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  
. v5 c0 Z; U- i7 E4 o, G7 J* K" |
GPIO的复用：
6 P* j! l& v' J
/ \4 o# m' T7 ]# D) k8 VSTM32F4 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
; `* Z5 p: c/ s' a1、4种输入模式
/ a1 G# D* K( C" I（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
+ g/ P2 I5 N/ x) h2 @. m/ Q（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
$ U/ ~5 _' x  b（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
4 }8 v& }4 h1 K% O! @% o" l, L
2、4种输出模式
（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
1 @3 L  C* Y: v5 w- @( i* r（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
( N' Z3 Y. W5 T（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
) x  g  k" B+ H* z0 G" y（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
  e5 g3 W$ Z3 A/ o; u2 I6 _; A（1）2MHZ  (低速)
! R0 ]3 T7 m3 ~（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)
+ W( Z! u' n' w6 ~; U4 y7 J
关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义

9 M2 ~6 h; f  j% W) v2 j3 GPIO框图剖析
: u) H  ?/ X& q1 g: I( {! E

6 K% ?8 Y& A. M% [) T( ?
$ o5 ^( O" n' x' ?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：

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
* |+ a2 B! ]# q7 A3 {: z& B  `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
3 L6 m2 t4 V% ~0 w! Z2 D( T' L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      
. d- v3 H" ?" L) P* H
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
% N% F5 c, @2 R& n* f

# ~- u: @/ K5 N9 _1 c2 p5 D
4 GPIO的八种工作模式剖析：
浮空输入模式
+ a* |$ N7 A" ]2 s" [! q
1 ]* p9 k: g+ K3 P! U, n

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
, s: |0 ~' q0 E( Q7 p# }/ c
上拉输入模式
7 u5 S( f8 g3 G3 z. j

  u8 B3 W) a3 e" T 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。
% D% G5 U$ O- ~! z: c
1 d& t9 h2 [+ s. x2 M7 ]下拉输入模式

, S1 `4 L4 k/ k/ A$ n 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

1 h. H0 P! Q" o模拟输入模式

  [) `1 b; V" S* B; ?
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
( v( `4 R6 }9 ?8 j
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，
9 Y, r% [) Z$ w5 S
+ \: Q" ?7 m2 |开漏输出模式（带上拉或者下拉）

* R% Q' ]0 f- i* Y
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
5 P! Y0 \4 m! `! _2 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   
$ B1 J2 K' k+ t+ B7 k6 a2 R" L3 G
" a" a9 e% e1 Y& f7 T! d" _. I& j, `

  M. j9 a5 z) ~' w
2 G7 V8 W9 C& S$ I. F* A; e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
# I: i) v6 p2 H: d/ C
' d& E( |% |, G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）
; I" m/ r( h+ ^) Y2 w

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
$ V4 e" q; W+ V0 n2 Q& |  B5 ~) x) k
复用推挽输出（带上拉或者下拉）
6 x3 i, S/ X# W0 ?6 w4 G& x
% c, C  |( e2 g" Q  G$ w9 I5 _

! t* N1 l5 q% ]' {4 `! ]: P2 g; c
- k' _( T6 t  Z6 U# Z5 @) F( ZGPIO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 V1 N- c) D* \% {3 R: B开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：
7 s$ d' e$ x* d& H# Z- ^
& p' c' [3 Z% B' n  M可以输出强高低电平，连接数字器件
$ K  u8 p9 N. R4 i# d
1 ?# d: Y; ?" ?1 S$ W  k& {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.
. G7 y( c2 y- M" w; T7 j3 P1 ?/ i
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)；

9 M! [: z! _* j" ~+ `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
1 H" A4 I( v2 Z$ L6 [

/ u0 Y* C" @0 O0 Y& @$ l
# v) [4 ~- T7 |( \4 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   

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，
3 j! n- k/ g1 s
0 D$ b3 S+ K  }3 p8 U- H" X, 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；
# H' `4 U% {2 ]  J. a+ |& @+ f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。
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。
" L0 L" O* p  K! A8 ]5 F5 V8 O复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
" D5 v5 M  ^7 L4 @4 J2 I* r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 H7 X5 d8 L! \3 p; R0 p, V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

3 U7 @- e& z5 C6 }7 y# E+ PF1系列(M3)IO口基本结构：

F4系列(M4)IO口基本结构：
! }* V) a/ i# W: r5 v: x

  E3 D" W2 ^9 i, d' Z) y4 L
5 K7 n" w; ~" K2 z) JF4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
& w: x$ X; Q0 D$ j
/ R: A4 ]" B# V; ?GPIO的初始化(F4)
这里我们以初始化LED为例

1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

! Y2 [8 D% N: g' j

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

' U" W. O3 @" k8 ^4 m

, b( a" W( [- z& U( O2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
2 M# X2 `6 z& I* @% I' E

1. RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);     /*开启 AHB1时钟*/

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) u/ c% b6 ~1 ~% Q$ ^2 y& `   Q:为什么要设置时钟？

* Q6 P9 `3 _4 f5 G) G2 I    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 f' W$ i' J& Z$ D$ n1 X% c+ h8 \Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
: [, q  K6 M( [. j! i4 \
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。
9 `" X$ P' Z! L  L* x: f! M

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

5 K' S! H: E6 J  _! y; v; {

: J5 b+ M! I2 j$ J5 v
+ u% a: {! ]0 QRCC_APB1

7 b) r5 \( w' o) J( X$ u
3选择要控制的 GPIO 引脚
, y" r3 z# r- O' Q: Z! M* v

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

复制代码

6 e- p' M* H* f$ n8 _可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚
9 x; }$ C7 ]3 F* ?/ Q5 ], M0 E1 z
$ Q" u1 r% \; n8 S1 Z# y: T

9 x) v1 g3 f1 N* `- k1 r4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

' d$ F8 O- |. I& I' `5 设定所选引脚的输出类型

6 X! }9 k7 g/ E) V9 I+ j! ^

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   
$ ~4 R5 |9 ]+ O$ z! j
- F; t" R6 I9 Y3 Q: y9 f

9 T0 I8 b) X7 _
: B/ R! P$ u  t$ L- X4 q只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置
0 K5 o8 ]" y) }' J! U
7 Z- }$ f: Q0 G( P6 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

" E) V* \& u0 e) Z' P; u* ]
# m2 S4 ]" B* h) Z
" h5 r' B$ K7 p! P2 P7 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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: B% v: ]2 h/ b+ y  J可设置为：上拉，下拉，与浮空

% _7 u! c& V/ @" G9 K- A1 s2 P
8初始化GPIO

* q! d- j, v! P* R1 q

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

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! O5 C+ L! r* k; M7 M0 W5 qGPIO_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

) }3 x6 y: N7 P, @) t+ KGPIO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  

' G' a* S& ]- r& ?% J* _ GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

% T1 e; U5 {5 t! q5 J" ^8 \

( n1 {7 x+ Y2 X/ p/ J
所选管脚的速度

' d0 |, q# u' i( M; z

所选管脚的8种模式
! ]. U8 G6 G/ P7 k
+ j9 Z* o/ z- ^8 R

% v  w6 e3 O* }3 d6 f, y1 u4 @, C5 a区别：
5 v" m- j  r3 F& R5 q! @, @
8 b, k  w4 l6 B 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

总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可
1 c3 F! o/ |+ {8 K7 n

1. void led_init(void)
   9 i9 ^5 x! o" c+ L  \
2. {
   7 Z0 W7 V7 v5 e* q! p) `; _8 @
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
   / v. k- D! {6 G) L8 V( ~9 ]
5.         
   : T6 `' b# E3 W5 c- R$ C
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
   
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed   = GPIO_Speed_50MHz;     //配置IO口速度,仅输出有效
   % Z+ F0 _; C* x$ t; O, i( D
9.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
   : L% |8 J" b) ~. t. p/ C9 Q
10. }

复制代码

+ W+ W' y! J% C9 a/ e5 T+ n; [5 k
2 B6 G% |, R5 I* k/ ~" T% ~( y2 |