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

% R0 C1 [; G6 x( J2 Y0 k: u! [核心功能：输入、输出和高级外设的复用功能


- N5 Z7 d- Q7 q  E4 E
6 ~6 a4 L3 W: ^: {2 C' x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

; P& T$ }& h; q" Y) n/ Y8 TSTM32G431数据手册：查看STM32G4引脚复用功能
$ h/ G2 z: j: H; l; |$ V

" K% C5 J, w4 |& D! R' V查看对应引脚对应的复用功能：

5 X+ Y; Y4 `4 {" D3 A0 a0 [- f; V
+ o. j$ x7 J& E9 s6 N" s" K; r
& W% q6 O# U) T% d% P1 r! [% R' L8 B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

( ?& v1 M  w1 ^* g2 J1 ]9 ~. B+ u3 wSTM32G4系列控制器参考手册：


$ i% y/ `7 q6 O, {/ t8 Y' `1 O


- g2 D4 `: a/ K; p, ?0 S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; G! J# @8 b% u. ]$ ]
" w6 a4 C0 b1 M" O/ n
; S! V+ L/ U0 ]1 u& {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

" y) t* S, i6 z! p4 `) j) c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] )
- j, N8 B. q' D' X! q6 J$ E0 Z
3 n4 d* }. p& A* T, \二、GPIO的基本结构
8 r  `" U2 }/ ~' v# U1.IO口内部电路结构


6 O: t+ T8 a) w  u1 P* K; ]
# I5 `1 l, A$ @' K9 x$ R4 jI/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
! B6 Y2 n: h3 T: d& Q* l
2.IO输入输出
1.普通IO输出

  {! f  v1 r& O$ T! C( l6 H& b
' W3 L. o$ V4 M0 ^& i( `
, v' E. E& J6 l; `(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
& r4 F, P0 m6 Q
6 M) o% \" }9 n' A(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
6 [' `8 H* b, {7 o! C( E1 m
2.复用功能功能输出


8 w$ p2 ?: X6 ~8 ]5 j, r+ e
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
9 H0 E+ _; p( ^- W  Q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
/ q, {3 r1 G" H6 J) y


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
/ ^5 n7 Y$ [% X: x- }3 x0 S. Z
(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)
0 J' ]0 {. p7 Z/ q# i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
" @6 a, E; M+ H* m
$ _* c/ V$ Y9 n: P  D
/ g9 R2 v# H- o2 v" `* J( |
' l6 x! o: R1 H& W0 V+ @(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( v4 y: f* z
上下拉电阻
" G; @* O9 j. Q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

& n( j9 @( f, J7 q( |5 e" `+ e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
/ ], k; x: t- {$ G7 N
# Z* ~2 K7 V- t; k: _/ Z1 c. z' y! M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
; V( _; E# u6 {$ i: z/ G5 d9 G, }
' V  W! }4 v' a! ?3 b9 r1 u% Y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）
. h# `2 o* ]  n0 K$ ^9 W
5 ?+ k$ S0 \3 }- A! [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


% h2 L0 r2 }  J, C0 X; 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
2 m; e8 c& K7 Z0 t0 e% M
+ L7 l; }0 P8 Q- H( j. T* G. k$ V

小结：
/ G+ s. ~5 R; T7 E  }) E) w/ G


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。
3 n! m' L$ v/ V9 B7 z
" I8 H7 @* P% x: I8 Y

1.浮空输入
5 S  \9 B9 c( ]9 Q+ f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
, i# q% h, D2 n
, S" m1 b9 V" N' u0 Z4 @+ L

(1)外部通过IO口输入电平(上下拉电阻处于关闭状态)

. p; w4 o8 A0 m. c1 \* j(2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态)
2 A$ C3 ?, w. w7 d5 Q
  }' D# ?9 t  d(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
. M0 z& w: |( U$ v
2.输入上拉模式
" Y# @' a0 d. V# d  q" {3 ]8 }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)

' |' G! M3 N9 p, D: Z# h3 y( T/ ]) 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。

$ V1 F% }3 a, Y) O& P6 B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
. T# Y, z. M7 l$ s. v& @7 x
7 I, |# ~4 S8 c5 Z( e; j3.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)

' F8 K" U& a# `: f) j
, Z! w9 G& a7 }# q* S  @
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

' k. B, [" v6 X5 S4.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
# G" n5 t# Z8 M9 U7 q
5.开漏输出模式
$ T( ?& y5 h, P. D开漏输出即三极管的集电极或者MOS管的漏极进行输出

: `) Q1 m4 f$ T. o: T# E' N6 O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
% q+ d8 r, l" `- e1 _5 y/ p. n
  S! i. g5 M7 Y! i: 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
+ |" R8 X! ]: b- Q# N) H


& ~4 `7 N2 y  S1 s! _(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)
- q; K4 L4 z+ q4 A. O% k: c
(3)ODR电平通过输出控制电路进入N-MOS管
0 U8 c+ A8 A' z  d4 r# I
* ]% h! x  l% O$ _% q) K& @8 Z" g! f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
& X2 v+ ~) k8 I1 u
(1)ODR输出0：
0 P/ g% Q1 v3 d% Z7 tN-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
; r* H. U; H( e, C
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

5 T; \9 y: y1 g, S5 ~(2)ODR输出1：
. H2 O7 D& h2 l1 ^9 C% R+ oN-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
. X: L$ O8 o/ q
( m! G) w" I' Q+ y8 W* k, B开漏输出为不确定状态，不具有驱动能力
  \$ u! V1 K- d# E6 C" x( e3 V; b2 N
* f2 P+ p8 }: T& g2 V6.推挽输出模式
推挽输出使用 P-MOS和N-MOS ，输出为0或1


% Q( c3 \7 M# j' G; z) v
推挽输出可以采取强高/强低输出，可以连接数字电路
1 c7 ]' V2 f. `' t: ?- S
0 h* B2 N* |& e8 _: J7.推挽复用输出模式
' `+ l3 S* Y1 W( B
' P6 D- F  P- R! T* Y, l* u
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
0 N; R/ U: y2 h$ W1 O! n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
2 I( k, u; Z% `
8.开漏复用输出模式

2 {1 x6 I  [% l; M
: u1 ]3 h2 S7 U/ K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：
% x7 S8 u  m/ v: ?8 M( O4 \(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
1 X$ j) ~4 h) J
(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

% E  @+ U4 V- `! M- O* U( 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

四、GPIO寄存器组
7 \. H% P3 z1 H/ kSTM32G4系列控制器参考手册 : 查看GPIO寄存器



- Z* Y1 J! v0 N! a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 X8 y$ Q+ H2 p" ?" [
6 T& {7 K1 a# G  lGPIOx_MODER：GPIO 端口模式寄存器
9 S: L: D( C4 PGPIOx_OTYPER ：GPIO 端口输出类型寄存器
+ D3 c! D0 G, i+ i1 W: g0 xGPIOx_OSPEEDR ：GPIO 端口输出速度寄存器
/ ?' Y, y  Q; m0 L0 w# s* h/ jGPIOx_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
& u4 V; ^0 X5 L( @- R6 C2 nGPIOx_BSRR ：GPIO 端口置位/复位寄存器
' a1 h# w5 W' qGPIOx_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
8 }+ x5 m1 x* h2 h9 VGPIOx_BRR：GPIO位复位寄存器

$ x" A/ f+ T9 r" J! M. ^
5 g. ~+ Z6 U9 x: |. D2 `" i3 J7 A
- P6 j3 b; x5 A$ e  \

- ]  y- t& {. e- b* A, @

$ z& v& `# [' T4 o