「技術文章」STM32 GPIO模式匯總分析

IO也叫GPIO，即通用輸入輸出端口，主要有一下幾種模式：
1、浮空輸入模式；
2、上拉輸入；
3、下拉輸入；
4、模擬輸入；
5、 推挽輸出；
6、 開漏輸出；
7、 復用推挽輸出；
8、 復用開漏輸出。

以下是對STM32 MCU 的GPIO進行分析

1、浮空輸入模式

上圖紅色的表示便是浮空輸入的過程，外部輸入0時,讀出的就是0；外部輸入1時，讀出的就是1；外部沒有輸入，IO處于阻塞讀不出電平狀態(tài)。

用處：感覺在信號處理方面用的比較好，比如在讀取一段一段的波形，可以清晰的知道什么時候是0信號，什么時候是1信號，什么時候是沒有信號的。

類比：51單片機找不到類似的輸入模式

2、上拉輸入

上拉輸入和浮空輸入的區(qū)別是，上拉電阻的開關關閉了，如上圖所示。

當IO沒有輸入的時候，IO電平等于VDD即1電平；當IO輸入低電平的事就是VDD和IO口形成一個閉環(huán)電路，根據(jù)分壓法IO口出分擔的電壓為0。

當IO輸入為1時，IO口電壓和VDD相等，上拉電阻好比斷開了，IO口的電壓還是0。

用處：在按鍵使用的時候特別適用，按鍵的一端接地，一端接IO口，當按鍵沒有按下的時候電平為高電平，當按鍵按下的時候IO是低電平。

類比：51單片機P1 P2 P3口就是上拉輸入的，大家可以回憶一下51單片機的按鍵操作，我們應該知道51單片機除了P0口內部沒有上拉電阻其他的IO都有上拉電阻。大家應該明白了51單片機沒有按鍵的時候，我們讀到的是高電平了吧！

小計：

上拉輸入，不管輸入1還是不輸入IO的電平都是1，輸入IO口的電平是0。 PS按鍵是共地還是共VCC選擇的時候要慎重。

3、下拉輸入

下拉輸入和上拉輸入的區(qū)別是：上拉電阻的開關打開了，下拉電阻的開關關閉了，如上圖所示。

當IO沒有輸入的時候，IO電平等于VSS即0電平；當IO輸入高電平的時候IO口就和VSS組成一個閉合電路，根據(jù)分壓法，電壓都分擔到了電阻上，所以IO口電平為高電平；當IO輸入為低電平的時候，IO口肯定是低電平。

用處：在按鍵使用的時候特別適用，按鍵的一端接VCC，一端接IO口，當按鍵沒有按下的時候電平為低電平，當按鍵按下的時候IO是高電平電平。

類比：51單片機沒有類似的IO口

PS按鍵是共地還是共VCC選擇的時候要慎重。

4、模擬輸入

模擬輸入，大家看上圖的紅色的標示。模擬輸入和其他輸入最大的區(qū)別：

1、沒有連接TTL觸發(fā)器，這樣保留最原始的電壓值，不是轉換過后的0和1信號

2、數(shù)據(jù)連接的終點不一樣，其他的輸入我們都是讀取輸入寄存器的值，而模擬輸入，數(shù)據(jù)直接送到片上外設，一般是ADC。

5、 推挽輸出

推挽輸出:可以輸出高,低電平,連接數(shù)字器件;推挽結構一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管導通的時候另一個截止.推挽電路是兩個參數(shù)相同的三極管或MOSFET,以推挽方式存在于電路中,各負責正負半周的波形放大任務,電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

上圖就是推挽輸出的過程。上圖標示的“2”便是我們的輸出寄存器，我們可以寫入1或者0，如果寫入1，圖上的“3”上面的P-mos導通，N-mos截止，IO口等價直接連接在VDD上，所以IO口電平是高電平。同理輸出寄存器的值為0時，P-mos截止，N-mos導通。IO口直接連接在VSS上，所有IO口電平為低電平。

大家可能會問圖上標的1是什么？其實1的寄存器就是間接向輸出寄存器寫入。

用處：適合做一些開關控制，應為推挽輸出可以快速的切換0和1，例如繼電器，led等。

類比：51單片機沒有類似的IO口

6、 開漏輸出

開漏輸出:輸出端相當于三極管的集電極. 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動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)

上圖紅色標示便是開漏輸出的過程圖，圖上1和2的標示已經(jīng)在推挽輸出中介紹了，此處不再說明。開漏輸出與推挽輸出唯一的區(qū)別就是開漏輸出只有一個N-mos管。當輸出寄存器的值為0的時候，n-mos導通，IO口直接連接VSS，輸出為低電平。當輸出寄存器為1的時候，n-mos截止，IO口直接和輸出端斷開了，處于浮空狀態(tài)。電平狀態(tài)不可控制。

大家可能會說，這樣設計不是傻缺么？有什么用設計這種輸出方式。其實這種方式很有用的，請看下面的類比
　
類比：
　
我們都知道51單片機PO口，是不是想到什么了？對PO口就是類似的開漏輸出，PO口作為輸出的時候一定要加上拉電阻，加上上拉電阻后，輸入寄存器為1的時候，n-mos截止截止了，好比IO和輸出端斷開，這是IO口點壓就等于上拉電阻的電壓。這樣變輸出了高電平，如果IO口的高電平，連接到了外設低電平的，就會產(chǎn)生電流，電流不會流到IO口，（N-mos管截止了）直接流到外設。是不是增大了驅動能力了。（IO口的驅動能力有限，不能容忍大電流）。
　
通過改變上拉電阻的大小和電壓就能完成很多功能。

開漏形式的電路有以下幾個特點：

1. 利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經(jīng)R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。

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，因為開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個優(yōu)點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換的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小，所以負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，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

4. 可以將多個開漏輸出的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”關系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。補充：什么是“線與”？：

在一個結點(線)上, 連接一個上拉電阻到電源 VCC 或 VDD 和 n 個 NPN 或 NMOS 晶體管的集電極 C 或漏極 D, 這些晶體管的****極 E 或源極 S 都接到地線上, 只要有一個晶體管飽和, 這個結點(線)就被拉到地線電平上. 因為這些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),晶體管就會飽和, 所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關系是或非 NOR 邏輯. 如果這個結點后面加一個反相器, 就是或 OR 邏輯.

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

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下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，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。