STM32F4 输入输出(GPIO)模式理解

stm32的GPIO的配置模式有好几种，包含：

1. 模拟输入；

2. 浮空输入；

3. 上拉输入；

4. 下拉输入；

5. 开漏输出。

6. 推挽输出；

7. 复用开漏输出；

8. 复用推挽输出

 

如图是GPIO的结构原理图：

 

 

1.模拟输入

 

从上图我们能够看到，我认为模拟输入最重要的一点就是。他不经过输入数据寄存器，所以我们无法通过读取输入数据寄存器来获取模拟输入的值，我认为这一点也是非常好理解的，由于输入数据寄存器中存放的不是0就是1。而模拟输入信号不符合这一要求，所以自然不能放进输入数据寄存器。该输入模式，使我们能够获得外部的模拟信号。

 

2.浮空输入

 

该输入状态。我的理解是。它的输入全然由外部决定，我认为在数据通信中应该能够使用该模式。应为在数据通信中。我们直观的理解就是线路两端连接着发送端和接收断。他们都须要准确获取对方的信号电平，不须要外界的干预。

所以我认为这样的情况适合浮空输入。比方我们熟悉的I2C通信。

 

3上拉输入

 

上拉输入就是在输入电路上使用了上拉电阻。这样的模式的优点在于我们什么都不输入时，由于内部上拉电阻的原因，我们的处理器会认为我们输入了高电平。这就避免了不确定的输入。

这在要求输入电平仅仅要高低两种电平的情况下是非常实用的。

 

4下拉输入

和上拉输入相似，只是下拉输入时，在外部没有输入时，我们的处理器会认为我们输入了低电平。

 

5开漏输出

 

开漏输出，输出端相当于三极管的集电极。所以适合与做电流驱动的应用。要得到高电平。须要上拉电阻才干够。

 

6推挽输出

 

推挽输出使用了推挽电路，结合推挽电路的特性。它是由两个MOSFET组成，一个导通的同一时候，另外一个截至，两个MOSFET分别连接高低电平，所以哪一个导通就会输出相应的电平。推挽电路速度快，输出能力强，直接输出高电平或者低电平。

 

7复用开漏和复用推挽

 

我们知道这仅仅是对GPIO的复用而已。

使普通的GPIO具有了别的功能。

 

 

推挽输出:能够输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构通常是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候还有一个截止。高低电平由IC的电源低定。

推挽电路是两个參数同样的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两仅仅对称的功率开关管每次仅仅有一个导通，所以导通损耗小、效率高。

输出既能够向负载灌电流，也能够从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

具体理解：

如图所看到的，推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流添加时，还有一个“臂”的电流则减小。二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉。共同完毕电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时。输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来。输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每一个管的承受能力。

又由于不论走哪一路。管子导通电阻都非常小。使RC常数非常小，转变速度非常快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力。又提高开关速度。

开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态须要上拉电阻才行. 适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内).

开漏形式的电路有下面几个特点：

1.利用外部电路的驱动能力，降低IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需非常下的栅极驱动电流。

2.一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件。匹配电平用的，由于开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，仅仅能输出低电平，假设须要同一时候具备输出高电平的功能。则须要接上拉电阻。非常好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便能够改变传输电平。比方加上上拉电阻就能够提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）

3.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，可是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。

由于上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电。所以当电阻选择小时延时就小。但功耗大；反之延时大功耗小。所以假设对延时有要求，则建议用下降沿输出。

4.能够将多个开漏输出的Pin。连接到一条线上。

通过一仅仅上拉电阻。在不添加不论什么器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C。SMBus等总线推断总线占用状态的原理。

补充：什么是“线与”？：

在一个结点(线)上,连接一个上拉电阻到电源VCC或VDD和n个NPN或NMOS晶体管的集电极C或漏极D,这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上,仅仅要有一个晶体管饱和,这个结点(线)就被拉到地线电平上.由于这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和,所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑.假设这个结点后面加一个反相器,就是或OR逻辑.

事实上能够简单的理解为：在全部引脚连在一起时，外接一上拉电阻。假设有一个引脚输出为逻辑0。相当于接地。与之并联的回路“相当于被一根导线短路”。所以外电路逻辑电平便为0。仅仅有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：

该图中左边的便是推挽输出模式，当中比較器输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+。当比較器输出低电平时则恰恰相反。PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则能够理解为开漏输出形式。须要接上拉。

浮空输入：对于浮空输入，一直没找到非常权威的解释，仅仅好从下面图中去理解了

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路。我理解为浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，全然由外部输入决定，假设在该引脚悬空的情况下。读取该port的电平是不确定的。

上拉输入/下拉输入/模拟输入：这几个概念非常好理解，从字面便能轻易读懂。

复用开漏输出、复用推挽输出：能够理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并不是作为通用IO口使用）

最后总结下使用情况：

在STM32中选用IO模式
（1） 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，能够做KEY识别。RX1
（2）带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
（3）带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
（4） 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
（5）开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空。须要外接上拉电阻，才干实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平。但由于是开漏输出模式，这样IO口也就能够由外部电路改变为低电平或不变。

能够读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能
（6）推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND。 IO输出1 -接VCC。读输入值是未知的
（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

STM32设置实例：

（1）模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD。接上拉电阻。能够正确输出0和1。读值时先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)。拉高。然后能够读IO的值。使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)。

（2）假设是无上拉电阻，IO默认是高电平；须要读取IO的值，能够使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD；

通常有5种方式使用某个引脚功能，它们的配置方式例如以下：
1）作为普通GPIO输入：依据须要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同一时候不要使能该引脚相应的全部复用功能模块。
2）作为普通GPIO输出：依据须要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同一时候不要使能该引脚相应的全部复用功能模块。
3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式。同一时候不要使能该引脚相应的全部复用功能模块。
4）作为内置外设的输入：依据须要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同一时候使能该引脚相应的某个复用功能模块。

5）作为内置外设的输出：依据须要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同一时候使能该引脚相应的全部复用功能模块。

注意假设有多个复用功能模块相应同一个引脚。仅仅能使能当中之中的一个，其他模块保持非使能状态。