一、GPIO介绍
4 w& u. c: j! K2 p- r6 RGPIO：General Purpose Input Output通用用途输入输出

0 z+ s2 n/ f& z+ F核心功能：输入、输出和高级外设的复用功能



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
3 I. O- q! k4 G
STM32G431数据手册：查看STM32G4引脚复用功能

, [( |! W8 A6 T
查看对应引脚对应的复用功能：



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？
  o0 f% B; k' m8 p( q4 @$ [: J==控制复用功能的选择某个引脚选择第二个功能: ==
! |! Z1 M0 Y9 d( O& y
9 h; T4 H. F" n
1 H% C( q  e4 I" I+ H& V2 b( z
$ E/ z& [# J4 l+ p  o' S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
0 |% @6 z' {5 j; ^+ T4 n
& [- ~1 H9 c. E& W2 ?2 F0 gSTM32G4系列控制器参考手册：

$ }* u: [  F6 {$ v
$ v( g5 H: K- {! e7 s1 a2 ]; u


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
" V( A% h5 D4 l

7 A, ?& j9 P& z' L3 s8 s$ m
/ g" w7 `: F/ {& P) _2 }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

4 r8 \) ~3 {6 B% C6 w# @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
! U) e8 `7 _( A: |& c7 {1.IO口内部电路结构
9 T; e4 D& f- Y7 K8 D* U
! y; B: z3 f: A
! u/ m* k- L' H' D; ~
I/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
; l7 ?: I+ b3 z% }  ^2 k) L- K
6 ^7 U( k  M& d) \2.IO输入输出
1.普通IO输出
) q4 f/ _* ?( i1 `1 C
5 u' R! e* x9 g2 O

(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

, a# }0 h8 k) ]. l$ n(2)在选择器处选择普通I/O输出( 或复用功能输出)

$ @4 E* p$ Y( z, O$ F(3)通过反相器将前面输出的0或1转换为1或0
0 o6 n# x" ~) @% M: ?3 v4 D
(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
& g8 ~) w# \$ z. N  X
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
; b% t/ s" J  P: M- p( v
2.复用功能功能输出
' ~; D: e0 m% z* l8 t
% Z* t* C+ v+ Z' A% Y8 N+ a

与普通IO输出相比，选择器选择复用功能输出
: t8 D( L! G# d3 @& D( D( g
3.普通IO输入
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


' C) C+ N7 l" B3 U+ }  ~; g1 M
' j1 C5 p  l3 e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

: {8 L: O% r" P: ?4 w  z* l7 R(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
0 S5 r: F% A, A
(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
  H+ O, x0 U) T0 `+ Z
9 l0 `4 u! A, v* q! M8 e
& ~% _4 s7 P& ?( x0 ^! l3 j+ ^
2 @& M7 g3 p0 B$ u' q- _2 Y3 F- v2 u(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

( n3 q. R6 @$ M6 Q0 r% Q, h

上下拉电阻
( E/ r& J* k9 ]  |0 x; y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

4 z7 z" N& b3 v1 `0 O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
+ g! c. B4 r7 a
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）
) o: G1 Z/ u; g8 h3 w) o
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

% Y/ }" K4 e0 ^3 ?
% n4 `1 t" D' n1 u' N
( T5 B" H. q# v; M+ ^0 [* A5 O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


  s- }0 v( d& k  S3 Y' U+ Y
0 W: i$ m) Y! ^9 {% r/ }7 v# m小结：

9 c% z" Q2 m) e  H; M! B' j
% g4 d& l' y. I7 A( m6 R
三、GPIO工作模式
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。

& m4 |# `+ m6 y; Y0 R1 D

1.浮空输入
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


. F* L1 S# l" Y, I* [2 `
(1)外部通过IO口输入电平(上下拉电阻处于关闭状态)
3 W/ U. v% G$ I5 V  V
(2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态)

(3)继续传输到输入数据寄存器IDR
, e- j/ g  v- y: ~! V
) J" J' l- e7 u(4)CPU通过读输入数据寄存器IDR实现读取外部输入电平值
# j6 Y4 F" a0 K1 {/ h. {8 k
( k  ]% r7 b: X2.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)
# Z/ r  k4 U$ v0 j" @3 y, B
) K4 d# s6 K+ D# n% J
" O; Q8 r- I. g+ v
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。

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

1 V9 ?  D& ^# p7 P3.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)
0 z$ H1 i& [' s' q& v" X" v$ y
3 }* S% Q! _! ~

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 z5 L0 y: `0 E" Q( v3 Y4.模拟输入模式

" r7 `2 o5 X" |, M4 {5 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
$ l# |6 X8 k+ Z, ]. D
6 k* n3 M& H2 t* F' o; |" d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

$ g( I/ g2 Z( q4 L/ {# S5.开漏输出模式
' w5 ]/ a# D/ E( U! C: b  ]开漏输出即三极管的集电极或者MOS管的漏极进行输出
# r' \5 m9 e0 q: @5 t' i: @7 A: `: Q
/ H0 g) J7 v/ L: m- @; Q4 F3 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

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
4 U3 T+ z  O$ o: Z% y$ J


(1)CPU写入位设置/清除寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR
+ Q8 j# l+ j  R
(2)联通到输出控制电路(也就是ODR的电平)
+ R5 j- O+ z7 D9 @$ B& l# o! D
(3)ODR电平通过输出控制电路进入N-MOS管
3 a- V. H: Z% l8 v# m5 n3 E
4 m5 z  D) z4 t1 K2 G开漏不使用 P-MOS(输出1） ，故输出不为 “0” 或 “1”，而是 “0” 或 “浮空”

(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
* a' @/ B/ Y4 X& ~/ ^# \
(1)ODR输出0：
N-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
; o( d9 j$ s. ]1 T
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
1 u. d/ T' g; }- d
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：
# C- `% S* F0 L4 t8 w) p2 EN-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

开漏输出为不确定状态，不具有驱动能力

5 D1 v+ T5 J( ?& x% K% n6.推挽输出模式
推挽输出使用 P-MOS和N-MOS ，输出为0或1

! x) d) w$ y8 @5 W

推挽输出可以采取强高/强低输出，可以连接数字电路
& U0 e1 d" s0 t2 [% B
& ]' W. k! f, V" Q" L7.推挽复用输出模式
+ \- \- r' F! Z2 H8 T9 _7 W, `

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
6 I9 F7 m$ d6 r. Y- a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
5 A9 a1 c7 a' I: m! x7 ]
8.开漏复用输出模式
. d4 q7 |4 R& M( ?; U

1 q, w" z" Y& g) D. o# H) `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

  S* C9 @0 O7 Z7 K6 i$ w3 X小结：
(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
0 z) v, ?' K6 V1 \  ?, C% B7 z* x
! ~" h- U; ~4 W4 L8 S1 ^7 Z  S(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
6 }1 V+ P6 ~- ]& Z( ]1 X
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

6 }" X. K. |- @) ~(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
" D# r1 N& G& C2 L3 {5 P
四、GPIO寄存器组
; G) |/ L3 n) a5 DSTM32G4系列控制器参考手册 : 查看GPIO寄存器



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）：
& I4 g& p) f: h  ?
GPIOx_MODER：GPIO 端口模式寄存器
GPIOx_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
* z7 C6 c$ B* o, w( ?# ?- cGPIOx_IDR ：GPIO 端口输入数据
& _$ O5 s4 i% T3 w" Q0 NGPIOx_ODR ：GPIO 端口输出数据寄存器
GPIOx_BSRR ：GPIO 端口置位/复位寄存器
GPIOx_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
GPIOx_BRR：GPIO位复位寄存器

7 G* G: [% L9 y' Y( x

; \4 C) O* `/ o+ m8 c



% q# T% k, I- u; B8 }3 t