一、GPIO介绍
GPIO：General Purpose Input Output通用用途输入输出

核心功能：输入、输出和高级外设的复用功能



2 P, P2 ^  ~2 q) A. Q9 Y注：使用时一定要配置好各引脚是用作普通I/O（输出0和1）还是用作复用功能
/ R4 o: Y! c8 h4 \( z- q; t& }3 m: y
8 m" }- L/ N/ X% Z  BSTM32G431数据手册：查看STM32G4引脚复用功能
0 [: P! y1 d# \+ R7 h  z

- ]( ?& u1 T  k1 ~4 j查看对应引脚对应的复用功能：
) B1 t# I: I  K) G! Z' }( Y6 K; |2 I
5 B( i2 C# U% {  H& q; G5 \
& _9 t# `0 R# z: j- c) S# v0 Q
封装LQFP64 前5行 “ - ” 表示 “ 无 ” ，第1引脚从第6行开始

既然有多种复用功能选择，如何指定一种相应的复用功能？
% ^( Y7 i4 F3 {0 y! t6 A) A==控制复用功能的选择某个引脚选择第二个功能: ==
% B( ?4 r: Y- t, o  {. `

7 q4 ]* Z$ |' h2 P- ]
2 l. h3 z/ g; B7 q0 }; @, @2 K, ^将某一个引脚设置为一种复用功能可根据上图来看，每一行对应着不同的复用功能，将对应引脚设置为AFX对应功能所在列（将PA9设置为串口功能，只要将PA9设置为AF7即可），这里就要用使用到复用功能寄存器

& t. {/ g- N- f# c' t; B) M% f7 rSTM32G4系列控制器参考手册：

7 Y6 d. R8 C$ L. H* x% B0 z


0 Z* C& G# P: g# n6 q, V
这个是低位寄存器对应PA0-PA7, 还有一个高位寄存器对应PA8-PA15

. D$ _9 \( j$ C& O" w, k

所以，将PAx引脚设置为AFx引脚只需要像AFRL/AFRH寄存器写入相应的值
, e0 K0 y* k1 i4 z6 m
将PA9设置为串口功能，只需要将GPIO A_AFRH 写入0111( PA9 对应 GPIO A_AFRH 中的 AFSEL9[3:0] )

二、GPIO的基本结构
1.IO口内部电路结构
$ q7 B# s1 S' G; o2 b9 d( D


$ d5 b* y  f9 V- F. ZI/O口的基本结构可分为上下两部分，下半部分为输出驱动器 ，上半部分为输入驱动器
7 Q1 Y# @7 P/ d# u+ B6 u$ _
1 c) Z0 E2 s' w2.IO输入输出
" {1 w& c! c- I; U1.普通IO输出

- q; ]4 J' [: V8 W

9 N% U. H$ X0 {  L2 y% ]4 }4 Z(1)通过置位/复位寄存器和 输出数据寄存器的共同作用输出0或1

(2)在选择器处选择普通I/O输出( 或复用功能输出)

6 p3 W* T. N; i3 [(3)通过反相器将前面输出的0或1转换为1或0
% C2 p! N1 o1 e! u. ]* i+ y
- ^0 a4 v) ^! @9 E  T(4)通过P-MOS管和N-MOS管两个MOS管决定输出逻辑0还是逻辑1
- h% h/ {7 w1 v! ~; {' Z  a
P-MOS管 为低电平导通，导通后输出逻辑1
N-MOS管 为高电平导通，导通后输出逻辑0

3 B  X. P- L) A+ [% C) \2 m: p' C2.复用功能功能输出


) @1 p0 j) B0 z2 n7 _* g
0 W; @. a( Z  ~0 c) }3 Q- B; m与普通IO输出相比，选择器选择复用功能输出

3.普通IO输入
% U; E0 Z7 H$ g. ^$ ~2 m3 Y5 `输入为低电平0时，上下拉电阻处于关闭状态，施密特触发器为打开状态
, i2 {, u" P: N4 Q


; {- l0 b$ x5 a: ^3 K8 B. ]但是，若输入为高电平时要考虑输入电压的大小，如果电压过大必须进行稳压，否则会烧坏电路，这就是包含二极管的作用

9 o/ l  k$ B  n  ~4 ^(1)输入的高电平为3.3V：能够直接通过I/O引脚进入内部电路

(2)输入的高电平为5V: 要用到 5V容错I/O端口 其中 VDD_FT(3.3V)
当输入为+5V​时，上面的二极管导通，连接 VDD_FT(3.3V)，将输入的5V​稳压到3.3V​，从而保护了电路

9 I( O6 N( I+ G, `% p- U3 m
' M7 Z6 C  h5 R8 S
(3)当输入为-5V​时（和5V方向相反),下面二极管导通，连接VSS(0V)，将输入的-5V​稳压到0V​，从而保护电路

) {' c6 Q& y" Y# l/ R' M

2 y2 K7 O% S& b% C上下拉电阻
- K; D) v( m* {! I' k% i3 l: o当某个引脚处于悬空时，其输入电平不能确定，既不是高电平也不是低电平

上拉下拉电阻用于处理IO口不确定的电平状态，强制性的将电平拉上或拉下
; h: M/ a7 z4 \5 |/ n
1 I% B; F3 f! \. j注：当输入为确定的高电平或低电平时，上拉下拉电阻将不起作用
; O6 X8 i) ^- m/ B% V
上拉和下拉都各有一个开关，当输入电平不确定时且上拉或下拉开关闭合时，不确定的电平就被强制性的转换为高电平（上拉开关闭合）或低电平（下拉开关闭合）
9 y" E) ]( g, P, h. \! l
上拉电阻：将上拉开关闭合，输入的不确定电平被强制上拉为高电平

1 Y& A# U& k/ S, _( X8 J- `
, o4 r; @% g+ g1 g9 x
/ _8 q* S+ n( k/ r下拉电阻：将下拉开关闭合，输入的不确定电平被强制下拉为低电平


; y, }9 h( |$ K. O( Y% F. J3 B6 h
小结：
6 f6 l/ ^$ k8 e0 E

' z8 p' s+ ~9 y5 x& k
6 Q) I! [- a+ A8 e# l2 a. [, ]三、GPIO工作模式
$ N; x. _+ s* b为实现不同的工作要求，GPIO有8种工作模式。每个I/O口可以自由编程，但I/O寄存器必须按32位字被访问。

- a7 ~9 R% @7 e5 k
+ e0 {+ l) v5 o" _9 K- p( L
/ J; C3 I/ z" h! f. {1.浮空输入
' z2 {6 m% e+ G. ]# V8 @浮空输入：复位上电的时，引脚不确定电平的高低(既不接电源，也不接地



8 F# B' q/ N* ?8 Y. h(1)外部通过IO口输入电平(上下拉电阻处于关闭状态)
0 @& C2 C/ x0 q
(2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态)
7 V5 x* {9 O. t- K- E2 s$ {, s4 e
(3)继续传输到输入数据寄存器IDR

7 I" h+ t# X+ |* x(4)CPU通过读输入数据寄存器IDR实现读取外部输入电平值

2.输入上拉模式
输入上拉模式：与输入浮空模式相比较,不同之处在于内部有一个上拉电阻连接到 VDD(输入上拉模式下,上拉电阻开关接通,阻值约 30-50K)


1 F/ \* w" R! V" O0 X
$ S& v8 @' E  Q* L外部输入通过上拉电阻,施密特触发器存入输入数据寄存器 IDR,被 CPU 读取，当输入管脚悬空时不受外部噪声信号干扰。
5 s( t7 r" L! R* F8 M! X
无论输入管脚悬空或者被高电平驱动时，读取的都是1. 只有在输入端为0的时，读取到的值才是0。因此采取的是非0输入模式。即若读取非0，即为1，若读取为0，即为0。强制上拉，一般是为了输入强高电平
% r: s) u  E3 [" q
8 S/ p) _+ H- k  e8 H8 Y3.输入下拉模式
输入下拉模式: 与输入浮空模式相比较,不同之处在于内部有一个下拉电阻连接到 VSS(输入下拉模式下,下拉电阻开关接通,阻值约 30-50K)

3 v! P* L3 C3 P* G7 r

外部输入通过下拉电阻,施密特触发器存入输入数据寄存器 IDR,被 CPU 读取，强制下拉，一般是为了输入强低电平

* }0 S  \/ Y: ^2 w4 C4.模拟输入模式
" E' O2 G: ^6 `9 V+ I

上拉和下拉部分均为关闭状态，施密特触发器为截止状态，通过模拟输入通道输入到 CPU，IO 口外部电压为模拟量(电压形式非电平形式), 作为模拟输入范围一般为 0~3.3V
! O" I" b# Y% \
( l. L, B) g- a7 k' L将IO口作为模拟输入接口，输入的可能是变化的值，接收外部的模拟信号输入
1 d! e' i3 i: w9 D& \  Q# n- @
) _4 d$ N) G, j8 P/ c8 y5.开漏输出模式
, l4 [3 S, p/ y/ m* }开漏输出即三极管的集电极或者MOS管的漏极进行输出
( g0 s8 \$ o8 a7 _( Q5 s) M8 H, [6 [
5 q4 d5 P$ M/ z0 k开漏输出可以实现线与功能。开漏输出只能输出强低电平，高电平需要依靠外部上拉电子拉高，适合做电流型驱动，吸收电流能力较强

6 ?. |6 P9 }3 f" o0 t注： 在输出模式下TTL施密特触发器为开启状态，所以输出模式下仍存在输入

  B" J2 ]  B# b0 d7 F* _  w+ @, _
6 ?+ O9 p- B6 o( U( i; P' Q$ Y
(1)CPU写入位设置/清除寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR
% F5 K6 |$ ]+ |' o: s
(2)联通到输出控制电路(也就是ODR的电平)
7 H1 Z: d' r. S* j+ n
' X6 j/ o4 K3 f* R, ~9 }1 B4 b6 N# \(3)ODR电平通过输出控制电路进入N-MOS管

开漏不使用 P-MOS(输出1） ，故输出不为 “0” 或 “1”，而是 “0” 或 “浮空”

' q( e) ~; \+ x- y. H9 m8 u4 H(1)写0传输到MOS管处，N-MOS 导通，输出为0
(2)写1传输到MOS管处，P-MOS 和 N-MOS 都不导通，输出浮空

% ?2 t4 f2 j" }) p% `/ {(1)ODR输出0：
) {7 u0 C) @) x9 qN-MOS截止，IO端口电平不会由ODR输出决定，而由外部上拉/下拉决定

3 V9 Q, K3 U$ C( @! ]在输出状态下，输出的电平可以被读取，数据存入输入数据寄存器，由CPU读取，实现CPU读取输出电平
( E% p: V; y2 M" L2 u& z8 O
2 e" E, @4 [/ v+ G$ i- }& `" K所以，当N-MOS截止时，如果读取到输出电平为1，不一定是我们输出的1，有可能是外部上拉产生的1

(2)ODR输出1：
N-MOS开启，IO端口电平被N-MOS管拉倒VSS，使IO输出低电平。此时输出的低电平同样可以被CPU读取到
9 e5 y/ i) _/ _# j
开漏输出为不确定状态，不具有驱动能力

: s( `$ O! ^- a9 r6 {  F6.推挽输出模式
' x# k, m9 V+ Q7 t/ [6 [1 x推挽输出使用 P-MOS和N-MOS ，输出为0或1

7 g2 a& D1 ?, S

推挽输出可以采取强高/强低输出，可以连接数字电路

7.推挽复用输出模式

5 n4 g) S& v5 p4 K. _$ G! M
与推挽输出模式唯一的区别在于输出控制电路之前电平的来源
推挽输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的，推挽复用输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的
4 @% ~* W2 @2 e. v+ q: ^
3 \; M! K9 L& T4 V8.开漏复用输出模式
: Y. U- C& n2 `; g2 B
, O( X: e$ A% T9 t% v6 b
0 w% P, H" n- V- Z: T$ M- N% O( y与开漏输出模式唯一的区别在于输出控制电路之前电平的来源
开漏输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的，开漏复用输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的

$ b1 J0 Z- j! ?( M8 o% O  l小结：
9 _! D- y% f, y6 o' Q$ R. ](1)推挽结构:两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定

( r7 W* @- h/ Z# r(2)开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强, 由于输出电平完全由上拉电阻连接的电源电平决定，很方便的调节电平转换

( s, y/ L7 C% p- R1 q% r2 T: w可以实现"线与"功能，"线与"指的是多个信号线直接连接在一起，只有当所有信号全部为高电平时，合在一起的总线为高电平；只要有任意一个或者多个信号为低电平，则总线为低电平

+ n- O, I, H9 W* l! x; y0 p( p1 S(3)推挽输出:可以输出强高、低电平，都具有驱动能力，可以连接数字器件
5 G" c! E0 i% L$ h- ?. E! l' I
四、GPIO寄存器组
STM32G4系列控制器参考手册 : 查看GPIO寄存器

) k) r1 E: ]/ _

每个GPIO包括10个寄存器来配置GPIO的具体功能（每个引脚功能都是完全可以独立配置，互不影响）：
  _9 F0 G7 F, T8 X0 r& |6 `4 J
GPIOx_MODER：GPIO 端口模式寄存器
% Z! g2 s% p  G# s0 y! W  NGPIOx_OTYPER ：GPIO 端口输出类型寄存器
GPIOx_OSPEEDR ：GPIO 端口输出速度寄存器
GPIOx_PUPDR ：GPIO 端口上拉/下拉寄存器
- ~0 w; o# _% X& U2 f# z9 o4 FGPIOx_IDR ：GPIO 端口输入数据
GPIOx_ODR ：GPIO 端口输出数据寄存器
GPIOx_BSRR ：GPIO 端口置位/复位寄存器
2 O; f$ _9 ]  ~+ h; nGPIOx_LCKR ：GPIO 端口配置锁定寄存器
GPIOx_AFRL ：GPIO 复用功能低位寄存器
GPIOx_AFRH ：GPIO 复用功能高位寄存器
5 F$ ], g7 c0 q/ w, f9 I5 X+ xGPIOx_BRR：GPIO位复位寄存器

/ G/ H  \7 [2 }8 p* \8 _  f

3 a5 t5 c6 k& c8 h; N9 i
( E5 [: L8 W4 g& X0 O* [' U

5 z! O3 q& j6 y; ~4 d  Z/ e