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



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

STM32G431数据手册：查看STM32G4引脚复用功能


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？
==控制复用功能的选择某个引脚选择第二个功能: ==



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：





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



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

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



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

2.IO输入输出
1.普通IO输出



(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)

(3)通过反相器将前面输出的0或1转换为1或0

(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

2.复用功能功能输出



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
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



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

(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



(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



上下拉电阻
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）

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



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



小结：



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。



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



(1)外部通过IO口输入电平(上下拉电阻处于关闭状态)

(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

(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)



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
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)



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

4.模拟输入模式


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

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

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

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



(1)CPU写入位设置/清除寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR

(2)联通到输出控制电路(也就是ODR的电平)

(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”

(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

(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

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

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

开漏输出为不确定状态，不具有驱动能力

6.推挽输出模式
推挽输出使用 P-MOS和N-MOS ，输出为0或1



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


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

8.开漏复用输出模式


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

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

(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

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

(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

四、GPIO寄存器组
STM32G4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）：

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
GPIOx_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
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