一、GPIO介绍
- S+ `, _" T4 @1 z6 V. mGPIO：General Purpose Input Output通用用途输入输出
$ j3 p+ D* x# S! a# C$ L* [4 [& }
+ D- L4 X8 j$ m5 h: `核心功能：输入、输出和高级外设的复用功能
5 t( a# ~; g" P% g" a4 |3 @/ _4 T0 m


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
  n2 k2 o4 t1 i3 N1 C. d. L
% ~2 R  |" Q% F/ W: H! c5 B) sSTM32G431数据手册：查看STM32G4引脚复用功能

* u+ M" h9 e* W0 K8 E/ W2 P7 {
( T/ m' B4 N# }' W* K* N查看对应引脚对应的复用功能：


0 }8 B% W+ p8 M" H: |
: y" p! v# D6 f封装LQFP64 前5行 “ - ” 表示 “ 无 ” ，第1引脚从第6行开始

$ {: ?$ r# |( @: U! h8 Z既然有多种复用功能选择，如何指定一种相应的复用功能？
0 D% e+ U  _+ a4 y) A% D==控制复用功能的选择某个引脚选择第二个功能: ==

1 d' q: h- m+ P% k+ u) x

! y# q* V! {6 e& v! N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

STM32G4系列控制器参考手册：





4 I; P/ d  G6 y( V2 P; [& w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
0 Y  R, f. [* D. ~7 W

: G" W) z# W# H
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
$ s5 K6 q( y2 K; f. T
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] )
3 {, T6 q  o( H( m- n+ S5 s* W: @; C
二、GPIO的基本结构
/ o* b: m( ^7 d$ {$ |1.IO口内部电路结构
/ H1 i1 w' ?2 r( G
' t5 p% x4 @# t* X; [3 U

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
+ t. I2 i# n/ C4 L: ]
! M/ u% F1 s7 Z$ x2 ?8 L2.IO输入输出
, W- {/ F) A* `$ }& i+ O$ I1.普通IO输出


$ ?1 F1 L" ]4 [7 r0 @. M
(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
# H6 q( q% p5 P. ]$ E
9 l6 {* N* b' k(2)在选择器处选择普通I/O输出( 或复用功能输出)
( a3 Q+ z+ }, Y: u- c
1 @5 m3 }: P4 w- L. V* w9 g(3)通过反相器将前面输出的0或1转换为1或0
, {$ F( V) ~) d, x( s; O. v
(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

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
! {$ b7 p5 r8 P; X/ _
2.复用功能功能输出

: h0 e; Y, u" w9 P

$ v  R6 v6 s' T与普通IO输出相比，选择器选择复用功能输出
' R/ A2 p7 t- ?: e' h  N$ w8 F
3.普通IO输入
  T7 R- F& [! }: i9 K5 |* f: _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



  W7 D$ f7 p& J) H2 C# q4 e. X  r; t2 t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
. g' K! C" c$ b3 `
(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
, M' ~: V8 s0 k
3 F6 ], z2 Y, j  G+ q(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)
5 o' S$ T- e- P/ Y" M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
7 y  V8 b0 F& X% w
/ m$ O+ o$ Z' V3 [, C8 ?& y2 h

9 _1 J7 `, v; Q" d(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
# E, W" N* a0 v' R' n& R- D
. U% [+ P4 @& w- a$ m
# V+ b' f( C, ]- @
上下拉电阻
* J# x# O. Q4 D+ \+ c* z5 ~/ {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

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

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）
- K  n1 c2 Z4 [% P3 J3 @
# J  Q) `9 a, Q+ Y, M) K8 l& I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

! [* j  U: D0 x
; o  _1 f6 R6 O: r# f
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
6 v! k3 j  |2 u2 C7 p" i
8 g, z- x, ]; I4 d  s# Z, l

小结：



) o/ X4 \) O0 B  ~三、GPIO工作模式
& X7 s$ N) Q7 H; ~* P, O4 `! p( h  R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。

8 a: m, b1 z, y/ ]
/ G6 H! V/ f0 N
1.浮空输入
! N8 }- J3 m4 C/ d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
2 U9 k* s3 \7 r1 q3 r$ ]

& a5 K" c' B" X
(1)外部通过IO口输入电平(上下拉电阻处于关闭状态)

. k- y$ r$ E5 F0 s) P9 e(2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态)

( S: ], c7 W' U9 x) L: Z(3)继续传输到输入数据寄存器IDR
" Z+ v4 P# ]: Y
- _6 p" T9 H- A# k2 P1 o(4)CPU通过读输入数据寄存器IDR实现读取外部输入电平值

' m; p5 t! T" x/ o9 h; o' D( h2.输入上拉模式
( P1 V' z& U: n& D7 v7 X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)


7 k! M! A) \; ~" s5 z
( k: o/ y( `1 p9 q' ~+ ?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

3.输入下拉模式
" Y& e8 Y9 `8 G; R" q% Y, Y+ K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)
9 \* [8 e3 `3 Z) R9 N. I0 h) m& J
: B0 u/ Q) G5 w3 d  P1 }

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
* Y2 v7 z8 w+ H# M( d
/ S& @1 w1 ]6 q9 }) U4.模拟输入模式

; b/ C- ?: b, p0 I/ s& ]
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

9 o5 c+ D, w, W9 V- u+ g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

, v2 n1 T  I6 W& D3 @5.开漏输出模式
开漏输出即三极管的集电极或者MOS管的漏极进行输出
+ D* C9 N9 M5 u) o0 ~1 A+ w
. @/ R# P, ^9 @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

- p- j6 L6 Z$ ]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
+ S+ m% D! r7 V. m1 O

9 r. i  r1 k  |+ b& N; K
- B$ c: ^% S" K7 [3 A/ H. \, i(1)CPU写入位设置/清除寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR

4 x& X  U$ n) ~0 n(2)联通到输出控制电路(也就是ODR的电平)
0 D) W- t, w3 z1 v6 `
, A0 f. U8 a% l  {7 |9 b( V9 G(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”
, i& B7 @& Q, j. M( S  b& F2 E
(1)写0传输到MOS管处，N-MOS 导通，输出为0
9 u: h1 {" B! f) Z7 P(2)写1传输到MOS管处，P-MOS 和 N-MOS 都不导通，输出浮空

7 Q9 @: I8 ]( {5 @  D; R2 H& {(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
' Z: H8 [' Z" m4 |; f
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
' @! |& {, A( h& s
2 C! ~" ^) x' @( Q  I3 U3 g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
, k. h6 D( e5 c; A
3 S$ z) y. ]' h& s' a(2)ODR输出1：
7 Y( o# K  s0 L! v- q5 ^& c0 q, lN-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
" n6 R% `  p5 B8 a1 C- n
5 v( ?  w$ m: D7 B3 N6.推挽输出模式
推挽输出使用 P-MOS和N-MOS ，输出为0或1
- F9 {! M! l' _9 L# Z# F5 `


3 `' Q6 S0 `3 C4 T. \推挽输出可以采取强高/强低输出，可以连接数字电路
) s* j9 h$ |& Q: G9 G$ {
7.推挽复用输出模式
, X8 V: p) Z1 F7 z( X) t% N8 M) q
- s7 Q! `$ T& n, Q* p7 x- P
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
! \+ ~* K, Q  P7 ?# A* u* ]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 \  _# _6 ^" A& `0 ~! ~, {  S8.开漏复用输出模式

  e! ]; K" q9 [/ ~1 u
- w# e( {# K, C0 T# z  A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
: F6 W# M# T8 q' W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
9 I0 [! j* v, U* w" t  e
小结：
' L7 T" S  X, k2 N1 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

(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

& J) l5 ]+ P; W: M' H) `3 t! j8 F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
- @+ n8 X! J; z" j& E% l
& U) C- h6 P) l: 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
& ]4 O  {! ^% \* N
+ t8 d1 L3 d6 k5 y2 G  |7 o四、GPIO寄存器组
STM32G4系列控制器参考手册 : 查看GPIO寄存器



' {; l  F9 n3 b9 c/ g) W# ^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）：
6 H( X& \( W( a1 ]* ?
3 q" S7 M' N$ h4 P9 U4 t+ J( o0 nGPIOx_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
0 m* Q3 I" P/ w! yGPIOx_PUPDR ：GPIO 端口上拉/下拉寄存器
GPIOx_IDR ：GPIO 端口输入数据
0 E# ~8 L6 d2 BGPIOx_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
3 q- ?: ]% _* p, A" U6 L3 [+ KGPIOx_AFRL ：GPIO 复用功能低位寄存器
) o, e; x8 N/ {& DGPIOx_AFRH ：GPIO 复用功能高位寄存器
. C1 g/ v5 E( B* t" MGPIOx_BRR：GPIO位复位寄存器
/ O  x2 b6 U2 B$ \' Z( X$ Z" [

3 u1 P( k( N8 }6 o$ }1 u

  h, Q4 K- w) Q6 U
5 v- K% @8 t, S/ r$ S8 a1 Q

) ^" ]- V0 ?/ K+ }