STM32輸入輸出模式理解

（1）GPIO_Mode_AIN 模擬輸入
（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
（4）GPIO_Mode_IPU 上拉輸入
（5）GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出
（6）GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出
（7）GPIO_Mode_AF_OD 復(fù)用開漏輸出
（8）GPIO_Mode_AF_PP 復(fù)用推挽輸出

對(duì)于剛?cè)腴T的新手，我想這幾個(gè)概念是必須得搞清楚的，平時(shí)接觸的最多的也就是推挽輸出、開漏輸出、上拉輸入這三種，但一直未曾對(duì)這些做過歸納。因此，在這里做一個(gè)總結(jié)：

推挽輸出:可以輸出高,低電平,連接數(shù)字器件; 推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制,總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。高低電平由IC的電源低定。

推挽電路是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET,以推挽方式存在于電路中,各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù),電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

詳細(xì)理解：

如圖所示，推挽放大器的輸出級(jí)有兩個(gè)“臂”（兩組放大元件），一個(gè)“臂”的電流增加時(shí)，另一個(gè)“臂”的電流則減小，二者的狀態(tài)輪流轉(zhuǎn)換。對(duì)負(fù)載而言，好像是一個(gè)“臂”在推，一個(gè)“臂”在拉，共同完成電流輸出任務(wù)。當(dāng)輸出高電平時(shí)，也就是下級(jí)負(fù)載門輸入高電平時(shí)，輸出端的電流將是下級(jí)門從本級(jí)電源經(jīng)VT3拉出。這樣一來，輸出高低電平時(shí)，VT3 一路和 VT5 一路將交替工作，從而減低了功耗，提高了每個(gè)管的承受能力。又由于不論走哪一路，管子導(dǎo)通電阻都很小，使RC常數(shù)很小，轉(zhuǎn)變速度很快。因此，推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

開漏輸出:輸出端相當(dāng)于三極管的集電極. 要得到高電平狀態(tài)需要上拉電阻才行. 適合于做電流型的驅(qū)動(dòng),其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20ma以內(nèi)).

開漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流是從外部的VCC流經(jīng)R pull-up ，MOSFET到GND。IC內(nèi)部?jī)H需很下的柵極驅(qū)動(dòng)電流。

2.一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的，因?yàn)殚_漏引腳不連接外部的上拉電阻時(shí)，只能輸出低電平，如果需要同時(shí)具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。（上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以負(fù)載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。）

3.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^外接上拉無源電阻對(duì)負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大；反之延時(shí)大功耗小。所以如果對(duì)延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。

4.可以將多個(gè)開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。補(bǔ)充：什么是“線與”？：

在一個(gè)結(jié)點(diǎn)(線)上,連接一個(gè)上拉電阻到電源VCC或VDD和n個(gè)NPN或NMOS晶體管的集電極C或漏極D,這些晶體管的發(fā)射極E或源極S都接到地線上,只要有一個(gè)晶體管飽和,這個(gè)結(jié)點(diǎn)(線)就被拉到地線電平上.因?yàn)檫@些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),晶體管就會(huì)飽和,所以這些基極或柵極對(duì)這個(gè)結(jié)點(diǎn)(線)的關(guān)系是或非NOR邏輯.如果這個(gè)結(jié)點(diǎn)后面加一個(gè)反相器,就是或OR邏輯.

其實(shí)可以簡(jiǎn)單的理解為：在所有引腳連在一起時(shí)，外接一上拉電阻，如果有一個(gè)引腳輸出為邏輯0，相當(dāng)于接地，與之并聯(lián)的回路“相當(dāng)于被一根導(dǎo)線短路”，所以外電路邏輯電平便為0，只有都為高電平時(shí)，與的結(jié)果才為邏輯1。

關(guān)于推挽輸出和開漏輸出，最后用一幅最簡(jiǎn)單的圖形來概括：

該圖中左邊的便是推挽輸出模式，其中比較器輸出高電平時(shí)下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導(dǎo)通，輸出電平VS+；當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)則恰恰相反，PNP三極管導(dǎo)通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。

浮空輸入：對(duì)于浮空輸入，一直沒找到很權(quán)威的解釋，只好從以下圖中去理解了

由于浮空輸入一般多用于外部按鍵輸入，結(jié)合圖上的輸入部分電路，我理解為浮空輸入狀態(tài)下，IO的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定，如果在該引腳懸空的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

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一、GPIO模式配置

1、輸入/輸出模式（參考stm32手冊(cè)）

2、GPIO輸出模式下，幾種速度的區(qū)別：

(1). GPIO 引腳速度： GPIO_Speed_2MHz (10MHz, 50MHz) ;

又稱輸出驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度：（芯片內(nèi)部在I/O口的輸出部分安排了多個(gè)響應(yīng)速度不同的輸出驅(qū)動(dòng)電路，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路，通過選擇速度來選擇不同的輸出驅(qū)動(dòng)模塊，達(dá)到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。）

可理解為:輸出驅(qū)動(dòng)電路的帶寬：即一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可以不失真地通過信號(hào)的最大頻率。

(如果一個(gè)信號(hào)的頻率超過了驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度，就有可能信號(hào)失真。失真因素？)

如果信號(hào)頻率為10MHz，而你配置了2MHz的帶寬，則10MHz的方波很可能就變成了正弦波。就好比是公路的設(shè)計(jì)時(shí)速，汽車速度低于設(shè)計(jì)時(shí)速時(shí)，可以平穩(wěn)地運(yùn)行，如果超過設(shè)計(jì)時(shí)速就會(huì)顛簸，甚至翻車。

關(guān)鍵是： GPIO的引腳速度跟應(yīng)用相匹配，速度配置越高，噪聲越大，功耗越大。

帶寬速度高的驅(qū)動(dòng)器耗電大、噪聲也大，帶寬低的驅(qū)動(dòng)器耗電小、噪聲也小。使用合適的驅(qū)動(dòng)器可以降低功耗和噪聲

比如：高頻的驅(qū)動(dòng)電路，噪聲也高，當(dāng)不需要高的輸出頻率時(shí)，請(qǐng)選用低頻驅(qū)動(dòng)電路，這樣非常有利于提高系統(tǒng)的EMI性能。當(dāng)然如果要輸出較高頻率的信號(hào)，但卻選用了較低頻率的驅(qū)動(dòng)模塊，很可能會(huì)得到失真的輸出信號(hào)。關(guān)鍵是GPIO的引腳速度跟應(yīng)用匹配（推薦10倍以上？）。

比如：

①　USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就夠了，既省電也噪聲小。

②　I2C接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以選用10M的GPIO引腳速度。

③　SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要選用50M的GPIO的引腳速度。

(2). GPIO的翻轉(zhuǎn)速度指：輸入/輸出寄存器的0 ，1 值反映到外部引腳(APB2上)高低電平的速度.手冊(cè)上指出GPIO最大翻轉(zhuǎn)速度可達(dá)18MHz。

@通過簡(jiǎn)單的程序測(cè)試，用示波器觀察到的翻轉(zhuǎn)時(shí)間: 是綜合的時(shí)間，包括取指令的時(shí)間、指令執(zhí)行的時(shí)間、指令執(zhí)行后信號(hào)傳遞到寄存器的時(shí)間(這其中可能經(jīng)過很多環(huán)節(jié)，比如AHB、APB、總線仲裁等)，最后才是信號(hào)從寄存器傳輸?shù)揭_所經(jīng)歷的時(shí)間。

如：有上拉電阻，其阻值越大，RC延時(shí)越大，即邏輯電平轉(zhuǎn)換的速度越慢，功耗越大。

(3).GPIO 輸出速度：與程序有關(guān)，(程序中寫的多久輸出一個(gè)信號(hào))。

2、GPIO口設(shè)為輸入時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電路與端口是斷開，所以輸出速度配置無意義。

3、在復(fù)位期間和剛復(fù)位后，復(fù)用功能未開啟，I/O端口被配置成浮空輸入模式。

4、所有端口都有外部中斷能力。為了使用外部中斷線，端口必須配置成輸入模式。

5、GPIO口的配置具有上鎖功能，當(dāng)配置好GPIO口后，可以通過程序鎖住配置組合，直到下次芯片復(fù)位才能解鎖。

一般應(yīng)用：

模擬輸入_AIN ——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電。

浮空輸入_IN_FLOATING ——可以做KEY識(shí)別，RX1

開漏輸出_Out_OD——應(yīng)用于I2C總線； （STM32開漏輸出若外部不接上拉電阻只能輸出0）

二. 管腳的復(fù)用功能 重映射

1、復(fù)用功能：內(nèi)置外設(shè)是與I/O口共用引出管腳（不同的功能對(duì)應(yīng)同一管腳）

STM32 所有內(nèi)置外設(shè)的外部引腳都是與標(biāo)準(zhǔn)GPIO引腳復(fù)用的，如果有多個(gè)復(fù)用功能模塊對(duì)應(yīng)同一個(gè)引腳，只能使能其中之一，其它模塊保持非使能狀態(tài)。

2、重映射功能：復(fù)用功能的引出腳可以通過重映射，從不同的I/O管腳引出，即復(fù)用功 能的引出腳位是可通過程序改變到其他的引腳上！

直接好處：PCB電路板的設(shè)計(jì)人員可以在需要的情況下，不必把某些信號(hào)在板上繞一大圈完成聯(lián)接，方便了PCB的設(shè)計(jì)同時(shí)潛在地減少了信號(hào)的交叉干擾。

如：USART1： 0: 沒有重映像(TX/PA9，RX/PA10)； 1: 重映像(TX/PB6，RX/PB7)。

（參考AFIO_MAPR寄存器介紹）[0,1為一寄存器的bit值]

【注】 下述復(fù)用功能的引出腳具有重映射功能：

- 晶體振蕩器的引腳在不接晶體時(shí)，可以作為普通I/O口

- CAN模塊； - JTAG調(diào)試接口；- 大部分定時(shí)器的引出接口； - 大部分USART引出接口

- I2C1的引出接口； - SPI1的引出接口；

舉例：對(duì)于STM32F103VBT6，47引腳為PB10，它的復(fù)用功能是I2C2_SCL和 USART3_TX，表示在上電之后它的默認(rèn)功能為PB10，而I2C2的SCL和USART3的TX為它的復(fù)用功能；另外在TIM2的引腳重映射后，TIM2_CH3也成為這個(gè)引腳的復(fù)用功能。

(1)要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能，則需要配置47腳為復(fù)用推挽輸出或復(fù)用開漏輸出，配置48腳為某種輸入模式，同時(shí)使能USART3并保持I2C2的非使能狀態(tài)。

(2)使用STM32F103VBT6的47腳作為TIM2_CH3，則需要對(duì)TIM2進(jìn)行重映射，然后再按復(fù)用功能的方式配置對(duì)應(yīng)引腳.

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輸入輸出快速切換

#define HD7279_DAT_OUT GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000003<<20 //推挽輸出
#define HD7279_DAT_IN GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000004<<20 //浮空輸入