一、GPIO介绍
GPIO：General Purpose Input Output通用用途输入输出
, @; I2 X! w6 l4 Q& g& ?5 N
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

. t& y+ @) c& D" h' I
查看对应引脚对应的复用功能：
' ]2 j9 o8 l% U" h9 F% u
# p* {7 i' E( ~' M- y

8 ?4 r1 S- [& X& n9 z: E7 a封装LQFP64 前5行 “ - ” 表示 “ 无 ” ，第1引脚从第6行开始

4 m3 w; `. d' {4 R3 N" i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: ==



2 {* S* r" ]3 ?9 w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：
+ t4 m; y: E/ N5 C' B
7 _' g- e7 W5 G
+ r7 @) e! S0 Z! L


' g3 z' U+ z( a, K- I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
) k/ n5 S8 a8 A2 X- L. ?' e4 ^

# @  R/ s. s5 o9 W* Y
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

8 u0 X( X( }9 r3 f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
* Q  z. w) P. o; D  }2 Z1.IO口内部电路结构

! k7 z# l9 U" ^
1 Y8 @& I9 ?8 B  C9 M, b
# F% i8 ?) ^9 H2 Y3 u% vI/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

3 J: t5 ?; Y$ h" g6 B3 @! E6 j: i2.IO输入输出
( l% l  Z8 j& O5 T/ B% [9 b1.普通IO输出



- Z! T/ ^6 m2 M! R1 ?3 G(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
$ l" S1 K: Q  A7 ~8 G
(2)在选择器处选择普通I/O输出( 或复用功能输出)
2 ^. l! X- {+ M8 j# j. @; A9 p, d
( X7 H$ x' l( x(3)通过反相器将前面输出的0或1转换为1或0
3 _6 J  n4 A: F0 C- L
: [6 ?8 q. ~8 ~(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
# m+ t& b* N( ^! R+ O$ ^1 u; n, ^& {2 x
- E2 {' w: w5 ?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
& w0 q$ m0 r) I  s9 B
! ]  O0 e$ W4 d8 ]" {+ t+ r; s7 v2.复用功能功能输出
' D7 X. }& Z) V  n/ _  u
; A- m6 |! g; B/ l. B  Z1 }
! T6 h5 \% n' x' r0 l# s8 S2 v
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
# v# g8 Y3 O- d: X+ a0 N% V
, R7 g, f0 \" f6 ~" ?* U

3 O' {% c6 y0 O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

* f. E5 C: N5 E$ v, f& J# _# I0 |(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)
6 W, a  O/ z- @  Z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 M; |" m4 Z1 c
" ^# v6 C4 Z' ?8 N
/ l7 p. |- X: Q  D  a(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
% h$ [' Q- D. M( p/ D* i  }
+ l' H6 ~9 \3 v, `
! D3 |" s+ E1 e$ @( N8 L5 k
% a% o; h3 F$ I) }; }1 T3 R上下拉电阻
% v" _( w/ T" Y9 R. i: g* f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
; h. M/ b) @% W- r
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

5 t2 K. ?; D. b( i+ S0 G7 ]4 o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）
; [/ g: {7 ~% t/ [3 ~" ?* C7 U' T
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
: h. k9 ~7 C& \


4 |% A8 R9 U7 u8 q. P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
9 X, \3 S# `% J) S' T" r* X0 T7 o


; e7 _6 j& X" D1 H0 _3 Z  q小结：

0 c) Z; Y0 t( J, a$ D. ?5 f& \

三、GPIO工作模式
1 i' l+ p8 l2 q. E* v, |8 z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。


4 J9 X( e7 V$ J7 p
1.浮空输入
" _; Z  a4 b) S! r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


  ~6 ?. V. K# h' v3 g5 i
(1)外部通过IO口输入电平(上下拉电阻处于关闭状态)

3 r, k: g7 k' y! r7 w) V+ n8 `0 E(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

- E/ p  ~0 K, l: m2.输入上拉模式
5 ?. y( o8 A) N( X0 Y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)

! ^- \; Z2 @9 z/ R1 p

6 N" q, b5 i8 ?$ Y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。

1 P- r8 k: {9 v4 `8 F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
) V+ ]$ _& x' ]# K
, D7 A4 _. g3 O4 X& ?" ^* Q3.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)
' E# W( d3 @* o  G  ]" z


) T2 J3 z" f, q9 p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
$ v8 x  @  S" ^% C3 k& K$ J7 g
1 O  I' X; p5 y. z& E4.模拟输入模式
& q7 y) i7 K3 W9 G
% ^& [( Q' P9 B: C4 b1 f: [. n% X) s
. e! r& `$ N! K" f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
! C& I  W/ X; {
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

& e. |$ J: e" H5.开漏输出模式
) G* X& @+ V' a# G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



! U0 W  @+ h1 F' J" A' g; L(1)CPU写入位设置/清除寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR
, Q* L& q+ F% r1 g" K
(2)联通到输出控制电路(也就是ODR的电平)
/ T* H% J! i- f6 U+ P8 [' O* |
8 h- B6 W, W1 Z: j(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”
. v% L9 y4 ?( U" U, V% i" i
(1)写0传输到MOS管处，N-MOS 导通，输出为0
' u7 L% d& W4 c! [(2)写1传输到MOS管处，P-MOS 和 N-MOS 都不导通，输出浮空
' j9 u& A, J1 I% z* p7 V0 r% X7 a
(1)ODR输出0：
4 V+ e7 G! f1 n# z$ FN-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

; G5 J; ~( h# A5 \+ O2 w7 l: \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
) n6 N- N0 B0 E
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
6 u4 @; W+ @; x- Q; B$ k& c' |
9 H# \. V( h. m+ S6 g  z& g(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

, X1 _2 ^4 c/ q0 N# S4 M+ R# K) o开漏输出为不确定状态，不具有驱动能力
! W, @; m" V9 j, Y2 X0 k' P
6.推挽输出模式
4 v% U% e! K/ j7 S) o推挽输出使用 P-MOS和N-MOS ，输出为0或1


) r, L6 m$ }" _/ c  \& ?& _- q
推挽输出可以采取强高/强低输出，可以连接数字电路

$ e. p, f# h( b3 e9 O" A4 o7.推挽复用输出模式

& v* p& Z4 y1 m' U( H+ c
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

- {+ G. _( N2 u0 G2 T0 g1 p$ D8.开漏复用输出模式


0 f. P) y# Q$ o4 G- x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

$ ?7 n, j' R. r+ m0 @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
; p% k: `8 M* I$ o' M
(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

3 v4 D& }4 x- k7 V# r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
8 W' ?; Q: s; v+ qSTM32G4系列控制器参考手册 : 查看GPIO寄存器
- d) B% L" i4 ]  U' n
. R9 o, L+ O! k; x8 w( X

* {5 f+ Y, x7 ^, F( }+ y) v2 X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）：

8 |6 s4 }: }% u0 A# dGPIOx_MODER：GPIO 端口模式寄存器
GPIOx_OTYPER ：GPIO 端口输出类型寄存器
( N& Q" H  G5 l) sGPIOx_OSPEEDR ：GPIO 端口输出速度寄存器
$ n. a5 G: |  ~+ z( _, }/ fGPIOx_PUPDR ：GPIO 端口上拉/下拉寄存器
GPIOx_IDR ：GPIO 端口输入数据
1 |" v1 ?0 I8 V7 A) D* l- NGPIOx_ODR ：GPIO 端口输出数据寄存器
9 K) ~; ^. T, I- I5 {% t$ x& IGPIOx_BSRR ：GPIO 端口置位/复位寄存器
. F' n1 O' O- B1 _  X7 g6 u0 L& |GPIOx_LCKR ：GPIO 端口配置锁定寄存器
GPIOx_AFRL ：GPIO 复用功能低位寄存器
) ]" u; Q0 j( @2 xGPIOx_AFRH ：GPIO 复用功能高位寄存器
GPIOx_BRR：GPIO位复位寄存器