GPIO的基础知识-编程知识

GPIO的基础知识

STM32H7 的GPIO基本配置
不使用的引脚设置为模拟模式
IO补偿单元
- 关闭补偿单元
- 开启补偿单元
注入电流大小和特性
GPIO 的8种模式
- 四种输入模式
- 两种输出模式
- - 推挽输出
  - 开漏输出
- 复用推挽和开漏
GPIO拉灌电流负载能力
GPIO兼容CMOS和TTL

首先对于GPIO我们需要注意以下几点

对于不使用的引脚，推荐设置为模拟模式，悬空即可。
GPIO的速度等级高的时候，最好使能IO补偿单元
GPIO还涉及到了注入电流的最大值问题。
GPIO8种模式要弄清楚。
GPIO的拉电流负载和灌电流负载能力要了解
GPIO兼容CMOS和TTL电平

STM32H7 的GPIO基本配置

◆ 输出状态：开漏/推挽 + 上拉/下拉电阻。
◆ 通过输出数据寄存器**（GPIOx_ODR）或者外设（GPIO 设置为复用模式时）输出数据。
◆ GPIO 速度等级设置。
◆ 输入状态：浮空，上拉/下拉，模拟。
◆ 通过输入数据寄存器（GPIOx_IDR）或者外设（GPIO 设置为复用模式）**输入数据。
◆ 通过寄存器 GPIOx_BSRR 实现对寄存器 GPIOx_ODR 的位操作。
◆ 通过配置寄存器 GPIOx_LCKR 的锁机制，实现冻结 IO 口配置。
◆ 每两个时钟周期就可以翻转一次 IO。
◆ 高度灵活的引脚复用功能，允许 IO 引脚既可以做 GPIO也可以做功能复用。

不使用的引脚设置为模拟模式

主要从功耗和防干扰考虑。
◆ 所有用作带上拉电阻输入的 I/O 都会在引脚外部保持为低时产生电流消耗。此电流消耗的值可通过使
用的静态特性中给出的上拉 / 下拉电阻值简单算出。
◆ 对于输出引脚，还必须考虑任何外部下拉电阻或外部负载以估计电流消耗。
◆ 若外部施加了中间电平，则额外的 I/O 电流消耗是因为配置为输入的 I/O。此电流消耗是由用于区
分输入值的输入施密特触发器电路导致。除非应用需要此特定配置，否则可通过将这些 I/O 配置为模
拟模式以避免此供电电流消耗。 ADC 输入引脚应配置为模拟输入就是这种情况。
◆ 任何浮空的输入引脚都可能由于外部电磁噪声，成为中间电平或意外切换。为防止浮空引脚相关的电
流消耗，它们必须配置为模拟模式，或内部强制为确定的数字值。这可通过使用上拉 / 下拉电阻或
将引脚配置为输出模式做到。
这里也有一个低功耗的例子必须把所有IO设置成模拟模式才能够达到官方文档里面给出的功耗：
低功耗项目链接

IO补偿单元

IO 补偿单元用于控制 I/O 通信压摆率（tfall / trise）以此来降低 I/O 噪声。当前 STM32H7 的速度等
级可以配置为以下四种：

#define GPIO_SPEED_FREQ_LOW ((uint32_t)0x00000000U) /*!< Low speed */
#define GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM ((uint32_t)0x00000001U) /*!< Medium speed */
#define GPIO_SPEED_FREQ_HIGH ((uint32_t)0x00000002U) /*!< Fast speed */
#define GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH ((uint32_t)0x00000003U) /*!< High speed */

关闭补偿单元

在这里插入图片描述

开启补偿单元

在这里插入图片描述

注入电流大小和特性

在这里插入图片描述

GPIO 的8种模式

◆ 输入浮空
◆ 输入上拉
◆ 输入下拉
◆ 模拟功能
◆ 具有上拉或下拉功能的开漏输出
◆ 具有上拉或下拉功能的推挽输出
◆ 具有上拉或下拉功能的复用功能推挽
◆ 具有上拉或下拉功能的复用功能开漏
由于上拉和下拉是可选配置，对应的 HAL 库配置使用下面 6 种就可以表示：
◆ GPIO_MODE_INPUT 输入模式
◆ GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽输出
◆ GPIO_MODE_OUTPUT_OD 开漏输出
◆ GPIO_MODE_AF_PP 复用推挽
◆ GPIO_MODE_AF_OD 复用开漏
◆ GPIO_MODE_ANALOG 模拟模式

四种输入模式

在这里插入图片描述
通过上面的引脚结构图可以得到如下三种方式
◆ 浮空输入：CPU 内部的上拉电阻、下拉电阻均断开的输入模式。
◆ 下拉输入：CPU 内部的下拉电阻使能、上拉电阻断开的输入模式。
◆ 上拉输入：CPU 内部的上拉电阻使能、下拉电阻断开的输入模式。
而模拟输入模式是 GPIO 引脚连接内部 ADC。
在这里插入图片描述

两种输出模式

推挽输出

推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称
的开关管每次只有一个导通，导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。
推拉式输出级提高电路的负载能力。相对于开漏输出模式，推挽输出最大优势是输出高电平时，上升时
间快，电压驱动能力强。
在这里插入图片描述

开漏输出

在这里插入图片描述开漏端相当于 MOS 管的漏极（三极管的集电极），要得到高电平状态必须外接上拉电阻才行，因此
输出高电平的驱动能力完全由外接上拉电阻决定，但是其输出低电平的驱动能力很强。开漏形式的电路有
以下几个特点：

输出高电平时利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。
开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出
低电平。如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉
电源的电压，便可以改变传输电平。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大，速度越
低，功耗越小。
开漏输出提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接
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。所以如果
对延时有要求，则建议用下降沿输出。
可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻
辑”关系，即“线与”。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个
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，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。