STM32 GPIO的工作原理和配置

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STMCU小助手发布时间：2023-2-1 21:37

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文章简介:	STM32 GPIO的工作原理和配置

一、GPIO是什么？
GPIO，全称为General Purpose Input Output Ports（通用输入输出端口），也就是通用IO口。

GPIO是控制或者采集外部器件的信息的外设，可以由软件程序控制，用于输出或者输入高低电平。

GPIO的使用非常广泛。可以与硬件进行数据交互（如UART），控制硬件工作（如LED、蜂鸣器等），读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。

GPIO按组分配，每组16个I/O口，组数视芯片而定。
以STM32F429IGT6为例：
① 一共有9组IO，PA~PI。
② 一共有140个IO口，其中PA~PH每组有16个IO，PI只有12个IO口。

注意：芯片的数据手册中，引脚标注为 FT 的，是可以兼容 5V 电平的。

ST官方提供的GPIO基本结构图

二、GPIO的8种工作模式
8种工作模式，分为4种输入模式和4种输出模式。

1. 浮空输入模式（GPIO_Mode_IN_FLOATING）
浮空输入模式下，上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器为开启状态，I/O引脚的输出功能被禁止。

该模式下，外部的电平信号通过①（I/O引脚）进入MCU，先经过②（施密特触发器）的整形后，再进入③（输入数据寄存器），最后MCU可以在④（输入数据寄存器的另一端）随时读取I/O引脚的电平。
即，整形后的I/O引脚的电平信号直接进入输入数据寄存器，MCU直接读取I/O引脚的电平。

如果I/O引脚无输入时，MCU读取到的电平状态是不确定的。所以引脚不建议悬空，易受干扰。
如果I/O引脚输入高电平时，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入低电平时，MCU读到低电平0。

总结，浮空输入模式：
I/O引脚输入什么电平信号，MCU就读取到什么电平信号；
无信号输入（默认）时，MCU读取到的电平信号是不确定的。

浮空输入模式，可以用于KEY识别，RX1等。

2. 上拉输入模式（GPIO_Mode_IPU）
上拉输入模式下，上拉电阻导通，施密特触发器处于开启状态，I/O引脚的输出功能被禁止。
GPIO的内部上拉电阻的阻值较大，所以通过内部上拉输出的电流是很弱的，即“弱电流”。
如果需要大电流用作电流型驱动输出，还是要用外部上拉电阻。

上拉输入模式与浮空输入模式不同之处，是在①（I/O引脚）和②（施密特触发器）之间接入了一个上拉电阻，将电位拉高，比如拉到VCC。

如果I/O引脚无输入时，I/O引脚处相当于断开，上拉电阻的电流直接流向④，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入高电平时，I/O引脚的电压等于VDD的电压，电流还是流向④，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入低电平时，I/O引脚处相当于接地，上拉电阻的电流直接流向I/O引脚，MCU读到低电平0。

总结，上拉输入模式：
无信号输入（默认）或输入高电平时，MCU都是读取到高电平1；
输入低电平时，MCU读取到低电平0。

上拉输入模式，可以用于按键检测。

3. 下拉输入模式（GPIO_Mode_IPD）
下拉输入模式下，下拉电阻导通，施密特触发器处于开启状态，I/O引脚的输出功能被禁止。

下拉输入模式与浮空输入模式不同之处，是在①（I/O引脚）和②（施密特触发器）之间接入了一个下拉电阻，将电位拉低，比如拉到GND。

如果I/O引脚无输入时，I/O引脚处相当于断开，I/O引脚的电压等于VSS的电压，MCU读取到低电平0。
如果I/O引脚输入高电平时，由于下拉电阻阻值比通道④的阻值大，所以电流流向④，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入低电平时，I/O引脚处相当于接地，I/O引脚的电压等于VSS的电压，MCU读到低电平0。

总结，下拉输入模式：
无信号输入（默认）或输入低电平时，MCU都是读取到低电平0；
输入高电平时，MCU读取到高电平1。

下拉输入模式，和上拉输入模式相似，可以用于按键检测。

4. 模拟输入模式（GPIO_Mode_AIN）
模拟模式下，上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器为关闭状态，输出部分的双MOS管也断开。

模拟输入模式下，外部的电平信号通过①（I/O引脚的模拟输入通道）进入MCU，MCU可以直接在③（模拟输出口）随时读取I/O引脚的电平。

由于施密特触发器断开，所以电信号也无法进入输入数据寄存器，所以MCU无法在“输入数据寄存器”中读取到有效的数据。

总结，模拟输入模式：
输入的电信号为模拟电压信号，而不是数字电平信号。
模拟输入的模拟电压信号，直接送到片上外设，一般是ADC。
除了 ADC 和 DAC 要将 I/O 配置为模拟通道之外，其他外设功能一律要配置为复用功能模式。

模拟输入模式，可以用于ADC采集或DAC输出，或者低功耗下省电。

5. 开漏输出模式（GPIO_Mode_Out_OD）
开漏输出模式下，P-MOS管一直处于断开状态。

开漏输出模式下，MCU通过左边的①（位设置/清除寄存器）或（输出数据寄存器）写入数据后，该数据位将通过②（输出控制电路）传送到④（I/O引脚）。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态。

当MCU输出低电平0时，经过“非门”后，转换为高电平1，N-MOS管导通，使I/O引脚输出低电平。
当MCU输出高电平1时，经过“非门”后，转换为低电平0，N-MOS管断开，I/O引脚处于悬空状态，此时I/O引脚输出的电平高低是由I/O引脚外部的上拉或者下拉决定。

开漏输出，输出端相当于三极管的集电极。要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对较强，一般20mA以内。

6. 开漏复用输出模式（GPIO_Mode_AF_OD）
GPIO可以是通用的IO口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是GPIO的复用功能。

GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器无效，④（I/O引脚）输出的高低电平由①（其他外设的输出）决定。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态，同时外设可以读取IO引脚的信息。

开漏复用输出模式与开漏输出模式的配置基本相同，除了输出信号的来源不同，其他与开漏输出模式的功能相同。
即，②（输出控制电路）的输入，开漏输出模式是由输出数据寄存器输出，开漏复用输出模式是由其他外设输出。

7. 推挽输出模式（GPIO_Mode_Out_PP）
推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平VSS或者高电平VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式P-MOS管和N-MOS管都用上，可以把“输出控制”简单地等效为一个非门。

当MCU输出低电平0时，经过“非门”后，转换为高电平1，P-MOS管截止，N-MOS管导通，使I/O引脚下拉到VSS，即I/O引脚输出低电平。
当MCU输出高电平1时，经过“非门”后，转换为低电平0，P-MOS管导通，N-MOS管截止，使I/O引脚上拉到VDD，即I/O引脚输出高电平。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态。

总结，推挽输出模式下，P-MOS管和N-MOS管同一时间只能有一个MOS管是导通的。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大的提高。

由于推挽输出模式输出高电平时，是直接连接VDD，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达25mA。该模式也是最常用的输出模式。

8. 推挽复用输出模式（GPIO_Mode_AF_PP）
GPIO可以是通用的IO口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是GPIO的复用功能。

GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器无效，④（I/O引脚）输出的高低电平由①（其他外设的输出）决定。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态，同时外设可以读取IO引脚的信息。

推挽复用输出模式与推挽输出模式的配置基本相同，除了输出信号的来源不同，其他与推挽输出模式的功能相同。
即，②（输出控制电路）的输入，推挽输出模式是由输出数据寄存器输出，推挽复用输出模式是由其他外设输出。

三、GPIO寄存器
每组GPIO的寄存器包括：
配置寄存器：
一个端口模式寄存器（GPIOx_MODER）
一个端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）
一个端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）
一个端口上拉下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）

数据寄存器：
一个端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）
一个端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）

置位/复位寄存器：
一个端口置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）

锁存寄存器：
一个端口配置锁存寄存器（GPIOx_LCKR）

复用功能共寄存器：
两个复用功能寄存器（低位GPIOx_AFRL & 高位GPIOx_AFRH）

注意：
① 每组GPIO由10个寄存器组成，如果芯片有 GPIOA ~ GPIOI 9个组，那么一共有对应90个寄存器。
② 如果配置一个I/O口需要2个位，那么刚好32位寄存器配置一组16个I/O口。
③ 如果配置一个I/O口只需要1个位，一般高16位保留。
④ BSRR寄存器32位分为低16位BSRRL和高16位BSRRH，
BSRRL配置一组16个I/O口的置位状态（1），
BSRRH配置一组16个I/O口的复位状态（0）。
⑤ rw表示可读可写；r表示只可读；w表示只可写；Res.表示保留位，必须保持复位值。

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1. GPIO端口模式寄存器（GPIOx_MODER）
该寄存器是GPIO的模式控制寄存器，用于控制GPIO的工作模式。
该寄存器共32位，每2个位控制1个I/O口。

以 GPIOA = 0xABFFFFFF 为例：
① 低16位的值是FFFF，都是1，即 PA0 ~ PA7 默认都是模拟模式。
② 高16位的值是0xABFF，即 PA8 ~ PA12 是模拟模式，PA13 ~ PA15 是复用功能模式。

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位 2y+1:2y MODERy[1:0]：端口x配置位（Port x configuration bits）（y=0…15）
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 模式。
00：输入模式（复位状态）
01：通用输出模式
10：复用功能模式
11：模拟模式

2. GPIO端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）
该寄存器用于控制GPIO的输出类型，仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0] = 00 / 11 时）下不起作用。
该寄存器的低16位有效，每1个位控制1个I/O口。

复位后，该寄存器的值均为0，即I/O口在输出模式下默认为推挽输出。

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位 31:16 ：保留，必须保持复位值。

位 15:0 OTy：端口x配置位（Port x configuration bits）（y=0…15）
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 输出类型。
0：推挽输出（复位状态）
1：开漏输出

3. GPIO端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）
该寄存器用于控制GPIO的输出速度，仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0] = 00 / 11 时）下不起作用。
该寄存器共32位，每2个位控制1个I/O口。

复位后，该寄存器的值均为0，即I/O口在输出模式下默认为推挽输出。
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位 2y+1:2y OSPEEDRy[1:0]：端口x配置位（Port x configuration bits）（y=0…15）
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 输出速度。
00：低速（ 2MHz）
01：中速（ 25MHz）
10：高速（ 50MHz）
11：超高速（100MHz）
注：有关 OSPEEDRy 位以及 V D D V_{DD}VDD范围和外部负载的值，请参见产品数据手册。

4. GPIO端口上拉/下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）
该寄存器用于控制GPIO的上拉/下拉。
该寄存器共32位，每2个位控制1个I/O口。

复位后，该寄存器的值一般为0，即无上拉或下拉。

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位 2y+1:2y PUPDRy[1:0]：端口x配置位（Port x configuration bits）（y=0…15）
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 上拉或下拉。
00：无上拉或下拉
01：上拉
10：下拉
11：保留

5. 端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）
该寄存器用于控制GPIO的输入高电平或者低电平。
该寄存器的低16位有效，每1个位控制1个I/O口。

该寄存器是只读权限，当CPU读访问该寄存器时：
如果对应的某位为0，则表示设置该I/O口输入的是低电平；
如果对应的某位为1，则表示设置该I/O口输入的是高电平。

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$9U2UCNRPCXVB_{1CA(@%Q.png$

位 31:16 ：保留，必须保持复位值。

位 15:0 ：IDRy：端口输入数据（Port input data）（y=0…15）
这些位为只读。它们包含相应 I/O 端口的输入值。

6. 端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）
该寄存器用于控制GPIO的输出高电平或者低电平。
该寄存器的低16位有效，每1个位控制1个I/O口。

当CPU写访问该寄存器时：
如果对应的某位写0，则表示设置该I/O口输出的是低电平；
如果对应的某位写1，则表示设置该I/O口输出的是高电平。

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位 31:16 ：保留，必须保持复位值。

位 15:0 ：ODRy：端口输出数据（Port output data）（y=0…15）
这些位可通过软件读取和写入。
注：对于原子置位/复位，通过写入 GPIOx_BSRR 或 GPIOx_BRR 寄存器，可分别置位和/或复位 ODR 位（x=A…F）。

7. 端口置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）
该寄存器也用于控制GPIO的输出高电平或者低电平。

BSRR寄存器32位有效。
对于低16位（0 ~ 15）：
我们往相应的位写1，那么对应的IO口会输出高电平；
我们往相应的位写0，对IO口没有任何影响。
对于高16位（16 ~ 31）作用刚好相反：
我们往相应的位写1，那么对应的IO口会输出低电平；
我们往相应的位写0，对IO口没有任何影响。

总结：
对于BSRR寄存器，写0时，对I/O口电平无影响。
如需输出高电平，则将对应的BS位写1；
如需输出低电平，则将对应的BR位写1。

ODR寄存器和BSRR寄存器的不同之处：
ODR是可读可写权限，而BSRR是只写权限。
ODR寄存器，我们要设置某个IO口电平，我们首先需要读出来ODR寄存器的值，然后对整个ODR寄存器重新赋值来达到设置某个或者某些IO口的目的。
BSRR寄存器，我们就不需要先读，而是直接设置即可，这在多任务实时操作系统中作用很大。
BSRR寄存器比ODR寄存器更好的地方，就是BSRR寄存器改变引脚状态的时候，不会被中断打断。而ODR寄存器有被中断打断的风险。

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$~TKVTVFU84`5QBXKV5{_M.png$

位 31:16 BRy：端口x复位位y（Port x reset bit y）（y=0…15）
这些位为只写。读取这些位可返回值 0x0000。
0：不会对相应的 ODRx 位执行任何操作
1：复位相应的 ODRx 位
注：如果同时对 BSx 和 BRx 置位，则 BSx 的优先级更高。

位 15:0 BSy：端口x置位位y（Port x set bit y）（y=0…15）
这些位为只写。读取这些位可返回值 0x0000。
0：不会对相应的 ODRx 位执行任何操作
1：置位相应的 ODRx 位

8. 端口配置锁定寄存器（GPIOx_LCKR）
该寄存器的每个锁定位冻结一个特定的配置寄存器（控制寄存器和复用功能寄存器）。

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位 31:17 ：保留，必须保持复位值。

位 16 LCKK：锁定键（Lock key）
可随时读取此位。可使用锁定键写序列对其进行修改。
0：端口配置锁定键未激活
1：端口配置锁定键已激活。在下一次 MCU 复位或外设复位之前，GPIOx_LCKR 寄存器始终处于锁定状态。

位 15:0 LCKy：端口x锁定位y（Port x lock bit y）（y=0…15）
这些位都是读/写位，但只能在 LCKK 位等于 “0” 时执行写操作。
0：端口配置未锁定
1：端口配置已锁定

9. 复用功能寄存器（GPIOx_AFRL、GPIOx_AFRH）
该寄存器分为高位AFRH和低位AFRL，分别控制16位，即分别控制8个I/O口。

复用功能寄存器有2个，都是32位有效的寄存器，分高位（AFRH）和低位（AFRL）。复用器采用16路复用功能输入AF0~AF15，通过GPIOx_AFRL（引脚 0~7）、GPIOx_AFRH（引脚 8~15）寄存器对复用功能输入进行配置，每四位控制1路复用。

I/O口并不能随意复用功能，而是有规定的，可以通过查阅数据手册来获取每个I/O引脚的复用功能。

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位 31:0 AFRy[3:0]：端口x引脚y的复用功能选择（Alternate function selection for port x pin y）（y=0…7）
这些位通过软件写入，用于配置复用功能 I/O 。

AFSELy 选择：
0000：AF0 1000：AF8
0001：AF1 1001：AF9
0010：AF2 1010：AF10
0011：AF3 1011：AF11
0100：AF4 1100：AF12
0101：AF5 1101：AF13
0110：AF6 1110：AF14
0111：AF7 1111：AF15
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