1 GPIO简介
/ u( p: }3 f) l8 ]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! b# [& M7 G( y) G. v& u
% K9 A0 L6 h& S, g: K+ eSTM32F407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  
! h0 L3 W* ]9 a" I' ~* y0 }
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

2 GPIO的工作模式
1、4种输入模式
8 S6 g* k5 a- C7 w; r% t（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
! Z0 Z% n7 X3 g* N) t
+ ]6 U/ B" u+ _" `2、4种输出模式
8 [+ q1 F  X7 }1 B: x% f（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）
6 Y3 ?! K1 {/ S- b) Q4 X- @
3、4种最大输出速度
（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
7 I) z" \* J3 p4 k: m* f* ^（3）50MHZ  (快速)
# V2 J% x- e" z: C) o0 X（4）100MHZ  (高速)
3 F- L) i) s  Y1 }4 ^+ `
关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义
- ?" O0 D) b. ]  z; N, Z. v) S
3 GPIO框图剖析
7 B5 x  ^( Q2 `5 k

8 I; G! ?" C- @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：

% d6 w/ j" Q2 T& H7 q( H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
1 r/ W; G4 N2 i1 W& s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
8 @% V9 B9 M# a) Z 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
: |. z: b) q2 l5 Y6 {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      
9 b7 L& w% Y9 ~5 i" g
2 W% P2 f! i6 h' m 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

4 GPIO的八种工作模式剖析：
+ n( w, X  ?+ h) P1 A5 y 浮空输入模式
; Q  ^+ [8 X/ g* D7 a5 r5 j% C
3 }0 O6 W5 Y7 ^: q% h* @

3 T% i3 ^5 T! q  T$ [% v. Y
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

上拉输入模式

$ T. \, Q$ k6 Q- m% @* 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
$ j% [% u" D# _
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。
! C% l8 U! W( A. S* g  W
0 C1 U. z5 R+ ~下拉输入模式
+ b" L& q* \* r# @! x  v5 w8 P
2 ^1 j% J: h# Q. m1 @% M

* y3 N; y- Y" }4 I  O$ r  o' [ 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
! ~$ I( d! }4 ?: e) K& k, c
* |" z% q3 J$ q4 ^

) T  t0 Y% _+ C- I
, T' P" m8 W$ X! I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
' [0 @1 S. D+ `0 z2 O3 K
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

, ^/ ^" N4 K( v. Y1 u( t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，
: |. S$ w0 W7 y$ t: d, C. L  _
开漏输出模式（带上拉或者下拉）

' [8 c4 c$ g9 z: S) s: n' N

: n# t) j5 G. `: K4 W3 s
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   
3 U1 B- F$ x: |! f* T2 z. D6 i

" c9 N2 h# V; s: `8 K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

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   
+ H, T' d. S( c  v4 {' P
3 a# J% d% n$ ?" Z5 u# b复用开漏输出（带上拉或者下拉）

2 ~( j9 g- X% O: A8 o* x1 i1 k

7 g/ ]9 |- g  y! t% p7 _1 u5 p, z% `0 g
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 Y) r8 B$ A' [, ~- A/ g( X8 S
6 D9 g; N( c# m/ A5 b9 Q$ a复用推挽输出（带上拉或者下拉）
! H# S7 y' \5 F& h7 v5 H7 W1 c# H. E

6 f7 [& e) N, z3 U; n) l  }+ j2 K
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
" h- a& Q2 b1 U. D8 n% t
% \* B( l! N, s6 @$ Z+ A: C
开漏输出和推挽输出的区别：
3 M4 H. a: F2 y4 ~. J2 B3 R9 d+ U
推挽输出：
/ S+ ~. W, M8 A/ e3 ]+ x3 F% [
可以输出强高低电平，连接数字器件

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：

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)；
8 s6 q* d% D. g% o  U0 i/ y2 s, ~
4 b" R$ h# D# S4 n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 b# y3 y" |3 I4 N  l
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，
: g7 Z$ G5 L2 e( }* x
# I5 X+ ]+ L+ ?6 X" X在STM32中选用IO模式:
7 h  d2 s, g( q; P
上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
( t. R) l" C2 L3 P" y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。
, I% X: H9 G* D: D 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）
" o+ {% ?2 T5 w9 U* D+ v复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
  S: W! L! G( b/ k3 r  N8 l. UF4系列与F1系列区别:
* A( w% V" n! i  Y) m' D" u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

6 G5 \- ]9 o0 P( Y% XF1系列(M3)IO口基本结构：
9 z/ ]8 E* E  A% ?
+ K9 e' F" c2 E

, ^. L1 W! |* F& B8 O! T! d
F4系列(M4)IO口基本结构：
- r% U5 t, x7 n2 c
( y# |4 w4 k/ }& b. @

+ T! q, S, z$ u$ U, ~  pF4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( F$ t  ^9 `
GPIO的初始化(F4)
# \8 F. \* \5 w  Z这里我们以初始化LED为例

: ]' |7 b5 _/ F0 c/ Z( q1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
! U) t' M4 Q2 G) M- k4 |

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
7 }! T5 y8 b5 u! A9 l/ b1 h

7 P  X& k' V9 R3 t

2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟
$ H, ~# W$ ~  A) c* A

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？

$ J% [% ]0 U; \" E% x    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。

& j" C  u( R$ t% A0 qQ:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
) f3 y5 C# @5 w
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。

" F, a1 y7 m" n: m6 @$ A& D8 K
) q3 A: |9 d# U- n+ 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
) P4 b1 \# c& l( E' A# W" z
$ B% v% z- l! Z7 f" R+ |RCC_AHB1
9 q! j/ H& d- `) F  V) W$ \0 G, X
, v  }, c2 b% t" k

# u: K2 V( |2 c1 ~
RCC_APB1

( t2 e/ o% z6 s6 @) y

3选择要控制的 GPIO 引脚

/ D" ^; @2 Z& Z% b) Q

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  /*选择Pin9引脚*/
   ) n; R6 N7 \: c0 ~+ N2 N

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可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

9 S$ @+ z# S2 E. {3 K

" D+ ?/ l+ ?5 R- k9 F+ D* @# Z
; v% G# `1 A. B4设置所选引脚的模式
( y# g  _# u( d0 g

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
/ Y+ k2 _3 Y* ^- o' U

7 m( J, h+ V& a  |3 o* M4 x7 A( ?
& H* C+ f* d, t. J$ `+ l" x' L) C7 C
5 设定所选引脚的输出类型

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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5 R: G1 o. {+ Q输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   

* v4 J. l  B3 [8 |! q9 }: q3 l1 n5 |只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置
6 `  H7 s" P1 R
  K- ?3 M6 p% s  e  C6 设定所选管脚的速度
1 e# V$ a( h/ I
* C3 B. X4 r4 r6 ?- A* V

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

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. F5 W$ f7 i' K) {) f
7 设定所选管脚的上拉与下拉

; l1 g  d/ A9 n3 r0 _

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

7 u' Y6 j, S8 ?. Q" r* N8初始化GPIO

* ]7 R3 Y, p0 b7 i

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

GPIO的初始化(F1)
2 q! ~+ E9 R2 X. d. |$ wF4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  
, s* Q  M% s+ N6 _; ?$ b( |' m
8 P6 ~( I* l# o. f' ~" L" s GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

7 `1 Q) c" C- }; P2 p! ~

  I. M8 W& m6 G( c9 j
9 p4 s# f' {( }4 c0 A* M5 s" @所选管脚的速度
) E( K& g; [. H& k* [

0 Y) \( ]: J$ H; u" h5 _3 D
0 d4 s9 ^; Q1 M# H所选管脚的8种模式
3 d, i. u% Z$ C; o  ]+ I: d

- M) P2 o& ?, K: y  B( u区别：
: n* j9 N3 h2 {3 n# N
! x3 K1 \7 y: r 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
1 V3 A2 y3 \+ L& v. P3 F- L
3 t; B1 f( B* _8 V总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可
6 j: E" R# u% S9 z/ f& @

1. void led_init(void)
   
2. {
   5 F0 T7 y- n: U$ A- D  [4 [( Y! P
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                    //定义初始化结构体
   * N( s0 Y' V' d7 ^( \8 H
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
   * [% z$ X, l* @1 O. U& i/ q$ `
5.         
   
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_Out_PP;     //配置模式
   8 N8 B1 {; n; m5 S. g6 d; w- F8 Z+ w% @
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin     = GPIO_Pin_0;           //配置哪个IO口
   . h9 U' v" H) B1 \+ w
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
   * K- N; `7 i  n
10. }

复制代码

, ^  g  f" [! D
' r5 d7 }0 F, w- d7 t* I