1 GPIO简介
1 q7 X: B/ ^" c3 t5 j8 y% P' N! m3 k, Y6 jGPIO,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  
" Q  Q% G- y! h! X8 ^
/ t$ W& A& Q) V( \GPIO的复用：

. X2 B. `8 v/ C4 ^1 e0 H5 ^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
  {  n/ m3 w' g9 Y7 `1 K
4 o( o6 V0 t, D! O  y2 GPIO的工作模式
3 N2 |. K% L6 ~) l5 G* g1、4种输入模式
0 x3 Q" M, o2 ?9 g2 }# I（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
1 N! y. g, q- D$ j% n+ i（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
: R: Z$ k) u* s* U
7 K: w* l* ~% s" J6 D( y2、4种输出模式
（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
1 ^9 |$ U# ?  K3 e+ ?4 `（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）
1 k" {' f3 Y8 g! s) b. F/ E; z（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

, v/ m8 E' I4 `: O1 H7 i3、4种最大输出速度
4 S) m6 }# V7 f+ v（1）2MHZ  (低速)
（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
: m# M5 C, m% |
3 GPIO框图剖析
' x6 [5 ~7 ]' d6 n; C8 O$ }8 r

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：

3 R' r9 n! k( _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
! C, R. E' V  s- r5 ]# V$ [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      
- F( ~$ }7 }, r
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 N4 {/ A; f( c6 W

8 T& ~! a: S) S; g. p6 b
4 GPIO的八种工作模式剖析：
- f6 T& R9 M( W8 U; E6 a 浮空输入模式

* ?' I" V. w! N, a
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

+ `1 J: V  t3 a7 j% Y  q/ A5 K# [

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
- Q; g0 p' z$ F9 P! b( u. x
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。
' z! m' A& _/ j( P
% h* |- A! G9 i  q/ L: V, w- ?下拉输入模式
- u/ A4 {# Y, n+ A3 m1 E- s. `
$ s) }8 s+ N; V! Z* z7 M

+ d* d* Z' [3 [1 H7 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 q' l( R5 f0 M) \: _- q
! f* }, y/ E$ V/ r0 d模拟输入模式
& p" }+ M% h$ ^) ], l$ f+ j4 C

! K  q# R" T% v. w% }8 j2 y2 ^
) j2 w+ \! `9 q3 ~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 g9 z- T/ f
4 I) a3 L, I6 u) U- u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，
3 s3 ^% Z: v. g6 W0 n
3 G1 D9 I( O  B开漏输出模式（带上拉或者下拉）
' B2 H  t- F$ v
$ [6 I- p0 [: |( i9 |6 o

7 _2 v7 Y! ^8 l( v9 j* P- `: i2 s

! Z4 W8 d- ~/ z9 u' q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
1 c# T( u3 ?: w* o
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   
% T7 f9 ?* `, }! C0 _

- |7 C, N' V% D( j
% U6 r3 E; ^! f- s/ X* K4 U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; o1 P6 v9 z' u+ r
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）
% o0 I9 X: j# s3 K7 O

  T4 b1 T6 Y( n& ]2 o5 [& ~
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

4 q$ w: K6 u$ ?% S9 G复用推挽输出（带上拉或者下拉）
! y7 L9 G7 `% C9 w+ u- B5 O+ `8 L* }
  e% C4 W: M5 }% B: S

3 ^- h3 v- K/ \: c
: I8 o% ]/ j- t- R( p0 @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

/ s; E, m8 u! ?0 O. D( P
* F' K7 I/ Z3 o# ^$ ]4 _& ?开漏输出和推挽输出的区别：

5 _. f8 G8 f0 Y8 M+ V$ [  j推挽输出：
, C+ a8 W2 _; [2 T6 h
" S( ~% W- X- F可以输出强高低电平，连接数字器件
7 _4 e- l4 d% g) g
$ G# r" D5 y: ~( t" C& 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.
" u% q8 ]* P& u, ^5 d+ x8 t' v* b9 z
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)；

7 A  h; F6 _" R. w8 y5 V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
0 s5 ^! W2 |7 R6 g; h1 l, K& D( |
' i$ t$ R. V  }- j2 r* M4 M

0 a( n! i% }) B. 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   
+ h0 U0 L$ W. a
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:
; s7 l! M7 f2 t3 p4 Z
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
+ ]/ [3 O2 D# ^( H( Z" x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。
+ F7 v/ n$ K2 E) n; ^; @! r3 C7 _6 O复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
" @' I! _. X9 h* @6 K4 ~3 e复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
# F, H: d( B' A" [/ Z0 i- I+ @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

F1系列(M3)IO口基本结构：

( j: y( J+ o) I& p; m

F4系列(M4)IO口基本结构：

% N2 U9 W4 k2 c9 |2 j" y

* O: @; f) L, nF4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

GPIO的初始化(F4)
& r# {5 S: Y. C; D这里我们以初始化LED为例

0 ]' `5 e' j1 \" U- }5 |! A8 Y1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
! c" s2 y8 N1 L$ F  a% U
, e4 F: H: L- U: n, b9 C

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 o$ _& Q5 |" H8 o2 a
" J9 A3 ?1 T( }" f, [

* @% L2 q  Q  r# @& ~9 e# c# D2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

4 A) t% t# D5 I

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

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4 N& Y; [! U1 r' }   Q:为什么要设置时钟？

2 ?& o9 K+ }7 {$ V: w5 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。
+ V1 d1 G  A$ M
Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
4 h- W# y& H- ~6 ?# y& E
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。

- \1 R1 S7 _0 N$ }; @
而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到
) B8 U- q! C7 h* }/ U1 l( B8 i
RCC_AHB1
4 N( {# n  W) y
9 w% F8 m; |' V, K

. |6 d$ D/ d0 O8 x) j% yRCC_APB1
5 Q- j: _1 {- i* i0 J& L
( T5 ]6 ^' j/ Q0 X. ?* N

! F4 [: Z8 R4 Y1 `* g' L3选择要控制的 GPIO 引脚
9 s! Z" W' t( W% d3 M
$ N; F; _3 m( }3 i. k% ^

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  /*选择Pin9引脚*/
   + ?/ W& w: e; P8 k0 \

复制代码

可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

/ a- ~4 H/ S2 M: J

# H, r( o0 z% ^% t8 K, 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*/

复制代码

引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

( P. p; ?0 w1 _) G

5 设定所选引脚的输出类型

: r' n  K6 ?; e( l+ D+ {

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   

  F/ e  z  r! w+ k$ \
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
  g% i2 H( r! {: i8 y/ |# ~8 j
& h5 t2 C3 b9 v3 o$ S

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

复制代码

3 {! p+ l. X1 K3 p

7 q% z3 }. V& v$ q3 m7 设定所选管脚的上拉与下拉
3 k4 d+ \" E' t, o
4 N# x; R8 V$ f. [) G) J& d+ I

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

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9 \0 a# Q' J" p* T; R可设置为：上拉，下拉，与浮空

8初始化GPIO
. i$ L- D1 }% G, {

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
7 W  K# d# n3 Z
GPIO的初始化(F1)
  _) g$ G: y- n% m7 R, \1 ^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  

. h' ?) j2 \8 T, v. f5 B GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
9 ?2 I) E" p" n! @8 i

, @& b5 Z( _; j" m8 V0 n6 B$ O0 o所选管脚的速度
9 A/ h8 ^: e9 j" V4 t  a
# R2 J6 O3 _& y# C. i/ y$ W

, }1 h' P) E! m0 ~9 y8 A6 h8 q
# ~& P8 J4 e- y6 E所选管脚的8种模式
3 Z- M" N3 l  l8 [# q8 e, W8 l/ Y

区别：
) g) t' t; _) ^6 U* |
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

4 ~5 X/ J! m$ a7 @6 k总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可
, |$ n) b8 L+ U: u- [8 k" L
: H+ X, T5 r, h! h( d

1. void led_init(void)
   
2. {
   2 ]9 }8 [* q8 j5 G( ^3 ^
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
   . M* h7 |9 }1 P1 s7 [, e" ^
5.         
   
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
   " F6 I* ]! O9 y6 v
9.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                   //初始化GPIOA的参数为以上结构体
   1 Y' P9 f8 M5 z0 P1 A* j( X
10. }

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4 i6 C5 |7 K4 `+ C6 O! n
3 P3 }* m9 }& c# \: v
! ?' V; w5 W) [+ j( U