对于许多刚入门stm32的同学们来说，GPIO是我们的第一课，初出茅庐的我们会对GPIO的配置感到疑惑不解，也是劝退我们的第一课，今天我们就来一起学习一下stm32的GPIO，提振一下信心。好的，发车了小卷卷们！！！

Step 1.GPIO简介

1.认识GPIO

        首先，什么是GPIO呢？我们学过51单片机的小伙伴们，肯定会知道一个概念，叫做IO口，这里的“I”其实就是input，“O”其实就是output，就是输入输出嘛。然后什么是GPIO呢？GPIO的全称是General Purpose Input Output，就是通用输入输出端口的意思。它们有什么区别呢，其实对于我们来说，二者就是一样的，就是GPIO相比于IO，听起来牛逼一点而已都是输入输出端口。

2.GPIO的作用

        GPIO的作用：负责采集外部器件的信息或者控制外部器件工作，就是输入输出。这里我们分别举两个例子来理解：

a.输入

        这里我们的IO口和VCC相连，如果按键不按下，IO口的输入就是VCC高电平，如果按键按下，IO口就变成了GND低电平，这是一个GPIO输入的例子 

 

b.输出

        这里如果IO口输出高电平，就是1，LED灯就亮，如果输出低电平，就是0，LED灯就不亮 

3.GPIO特点

【1】不同型号的芯片IO口的数量是不一样的

【2】快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期

【3】每个IO口都可以做中断（这点相比于传统的51单片机要好很多，传统的51单片机只有INT0，INT1可以做外部中断）

【4】有8中工作模式（这也是最令人头疼的） 

4.GPIO电气特性

stm32的工作电压范围是2v ≤ VDD ≤ 3.6v

GPIO的电压识别范围：

                -0.3v ≤ V低 ≤ 1.164v

                1.833v ≤ V高 ≤ 3.6v

一般要避免电压在1.164和1.833之间，这里电压到底是0还是1是不确定的 

手册里标注FT的是TTL端口的，没有标注的就是CMOS端口的

5.GPIO的输出电流

        F103系列的芯片最大输出电流是150毫安，单个IO口的电流输出最大是25毫安，而且不能保证每个IO口能同时输出这个电流

6.GPIO的引脚分布

 不多说了，就是看图吧，图上很明确了

电源引脚：V字母开头的都是电源引脚

复位引脚：NRST就是复位引脚 

下载引脚；

 晶振引脚

ROOT引脚；

GPIO引脚：P字母开头的，基本都是GPIO引脚，一般来说是16个端口，从0到15

Step 2.GPIO结构 

我们先看一幅图

 

 我们一步一步来分析这个图

1.保护二极管      

        首先我们要知道1处这两个二极管的作用，这两个二极管是保护二极管，这两个二极管的作用是什么呢？当外界输入较高的电平时VDD导通，我们都知道二极管有钳制电位的作用，所以高电平就被限制了，同理，当外界输入低电平时（这个东西可以是负的）Vss导通，同样将电平限制在了安全范围里。

2.施密特触发器       

        其次，我们去看这个施密特触发器，其实应该是肖特基触发器的，这里手册上的图翻译错了，它的特点就是当电压低于某一个值，表现为逻辑0，高于某一个值时，表现为高电平。处于中间位置时候，电平信号不变，我们可以通过一个图去理解它：

 3.几个图像

        好的下边我们来分析整个图，这个图可以分为两部分，输入部分和输出部分，那么输入和输出到底应该怎么去理解呢？其实stm32的参考手册也给出了输入和输出时候的图，我们可以研究一下 。

a.输入图像

 

当我们的IO口配置为输入时，有：

 ● 输出缓冲器被禁止

● 施密特触发输入被激活

● 根据输入配置(上拉，下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接

● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器

● 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

b.输出图像 

 当我们的IO口配置为输出时，有：

● 输出缓冲器被激活 ─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(PMOS从不被激活)。 ─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器

● 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

● 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值

c.复用图像

此时，有：

● 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开

● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器

● 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态

● 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值 下图示出了I/O端口位的复用功能配置。详见stm32f103系列参考手册8.4节-AFIO寄存器描述。 一组复用功能I/O寄存器允许用户把一些复用功能重新映象到不同的引脚。 

d.模拟输入 

此时，有： 

● 输出缓冲器被禁止；

● 禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。施密特触发输出值被强置 为’0’；

● 弱上拉和下拉电阻被禁止；

● 读取输入数据寄存器时数值为’0

相信大家看到这里会有点懵逼，你给我一堆这，我也不知道该怎么用啊！那么下面我们就来具体看看IO口的8种输入输出模式

4.GPIO口的八种模式

首先要知道都有哪几种工作模式吧，大概就是四输入，四输出；

输入：输入浮空 ─ 输入上拉 ─  输入下拉  ─  模拟输入

输出：开漏输出 ─ 推挽式输出 ─ 推挽式复用功能 ─ 开漏复用功能

下面允许我先啰嗦一下，因为很多人就算知道这些东西，也会一头雾水，到底什么时候要用什么呢？因为我是暖男，我安排好了：

GPIO引脚可以根据需要配置成多种模式，以适应不同的硬件接口需求。下面详细解释您提到的各种输入和输出模式，以及它们的用途。

功能分析

a.输入模式

输入浮空 (Floating Input)

    •    描述：在此模式下，GPIO引脚既没有连接到高电平（VCC）也没有连接到低电平（GND），其状态由外部电路的输入决定，但在没有外部输入时状态不确定。
    •    用途：通常用于高阻抗传感器的接口，或者在外部电路确保将输入引脚拉高或拉低的情况下使用。但浮空输入容易受到噪声的影响，可能导致读值不稳定。

输入上拉 (Input Pull-up)

    •    描述：在此模式下，GPIO引脚通过一个上拉电阻连接到高电平，确保在外部设备未接入或开关未关闭时，GPIO引脚为高电平状态。
    •    用途：常用于按钮或开关，当按键未按下时默认读取为高电平，按下时连接到地（GND）读取为低电平。

输入下拉 (Input Pull-down)

    •    描述：与上拉输入相对，引脚通过一个下拉电阻连接到低电平，确保在外部设备未接入或开关未闭合时，GPIO引脚为低电平状态。
    •    用途：常用于按钮或开关，当按键未按下时默认读取为低电平，按下时连接到高电平（VCC）读取为高电平。

模拟输入 (Analog Input)

    •    描述：GPIO引脚配置为读取模拟信号，这通常需要芯片内部集成的模拟到数字转换器（ADC）。
    •    用途：用于读取各种类型的模拟传感器输出，如温度传感器、光照传感器、湿度传感器等的模拟信号。

b.输出模式

开漏输出 (Open Drain Output)

    •    描述：在此模式下，GPIO引脚在输出低电平时直接连接到地（GND），在输出高电平时不驱动，输出端实际上是“开放”的，需要外部上拉电阻以确保能够读取到高电平。
    •    用途：常用于I2C通讯协议的数据线和时钟线，多个设备可以共用同一条线，通过外部上拉电阻来控制线路状态。

推挽式输出 (Push-Pull Output)

    •    描述：GPIO引脚可以输出高电平和低电平，高电平时连接到电源（VCC），低电平时连接到地（GND）。
    •    用途：适合于大多数控制应用，如LED指示灯、继电器控制等，因为它可以提供足够的电流来驱动外部负载。

推挽式复用功能 (Push-Pull Alternate Function)

    •    描述：此模式与推挽式输出类似，但允许GPIO引脚用于特定的复用功能，例如USART（通用同步/异步接收/发送）的TX/RX、SPI的MOSI/MISO等。
    •    用途：用于需要GPIO引脚执行特定硬件功能的应用，使得引脚除了基本的输入输出功能外，还能承担如串行通信等特定任务。

开漏复用功能 (Open Drain Alternate Function)

    •    描述：与开漏输出相似，GPIO引脚在复用功能时也不主动驱动高电平，依赖外部上拉电阻来确定高电平状态。

    •    用途：用于那些在复用功能下需要多个设备共用单一物理连接的应用，如I2C总线的SCL和SDA线，允许多个设备连接至同一总线而不会造成信号冲突。
 

结构分析 

好的,下边我们就这些模式进行结构分析:

a.输入

 输入浮空:

 

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻关闭

[3]施密特触发器打开

[4]双MOS管都不导通

 

 输入浮空时，空闲时是高阻态，由外部的环境决定 

输入上拉：

[1]上拉电阻开启

[2]下拉电阻关闭

[3]施密特触发器打开

[4]双MOS管都不导通

 输入上拉时，空闲时是高电平，外部也是高电平，这里由于上拉电阻和下拉电阻都很大，所以是弱上拉

输入下拉： 

 

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻开启

[3]施密特触发器打开

[4]双MOS管都不导通

 

输入下拉，空闲时IO口是低电平 

模拟输入： 

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻关闭

[3]施密特触发器关闭

[4]双MOS管都不导通

专门用于模拟信号的输入或输出

b.输出 

开漏输出：

 

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻关闭

[3]施密特触发器打开

[4]P-MOS管始终不导通

[5]往ODR对应位写0，N-MOS导通，写1则不导通。

写0是外界低电平，写1时高阻态，开漏输出不能输出高电平，可以通过外部（内部F4，F7，H7型号）接上拉电阻来帮助输出高电平

开漏式复用功能：

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻关闭

[3]施密特触发器打开

[4]P-MOS管始终不导通

 特点：

1.开漏式复用不能输出高电平，可以通过外部（内部F4，F7，H7型号）接上拉电阻来帮助输出高电平

2.由其他外设控制输出

推挽输出： 

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻开启

[3]施密特触发器打开

[4]往ODR对应位写0，N-MOS导通，写1，P-MOS导通

特点：电源能直接驱动，驱动能力强

推挽式复用功能：

[1]上拉电阻关闭

[2]下拉电阻开启

[3]施密特触发器打开

特点：1.可以输出高，低电平，驱动能力强，

            2.由其他外设控制输出

Step.3结语 

        现在是2024年4月23日凌晨3：13分，已经很累了，我不知道我坚持的意义在哪里。耳机里放着Eason的《陀飞轮》，可是一事无成怎敢听《陀飞轮》。

        过去十八岁，没带表，不过有时间 ，连自己也都分清不了得到多与少。也许有一天会命中减少一秒多买一只表，我喜欢的会喜欢我，我执着的会回应我，晚安程明。