6.2 GPIO框图剖析

GPIO硬件结构框图见图6-1。通过此框图可以从整体上深入了解GPIO外设及它的各种应用模式。图6-1最右端就是STM32芯片引出的GPIO引脚，其余部件都位于芯片内部。

6.2.1 基本结构分析

下面按图6-1中的编号对GPIO端口的结构部件进行分析。

1. 保护二极管及上拉、下拉电阻

引脚上的两个保护二极管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，以防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但这样的保护并不意味着STM32的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电动机，强制驱动要么电动机不转，要么芯片烧坏，因此必须要加大功率及隔离电路。具体电压、电流范围可查阅《STM32F4xx规格书》。

上拉、下拉电阻，从它们的结构可以看出，通过上拉、下拉对应的开关配置，可以控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平，开启下拉的时候引脚电压为低电平，这样可以消除引脚不定状态的影响。如引脚外部没有外接器件，或者外部的器件不干扰该引脚电压时，STM32的引脚都会有这个默认状态。

也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，这种状态称为浮空模式。在这个模式下，直接用电压表测量其引脚电压会得到1点几伏的值，这是个不确定值。所以通常将引脚设置为“上拉模式”或“下拉模式”，使它有默认状态。

STM32的内部上拉是“弱上拉”，即通过此上拉输出的电流很弱，如要求大电流还是需要外部上拉。

可通过“上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”控制引脚的上拉、下拉以及浮空模式。

2. P-MOS管和N-MOS管

GPIO引脚线路经过上拉、下拉电阻结构后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

所谓推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个MOS管轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0V，高电平为3.3V，参考图6-2的左侧，它是推挽输出模式的等效电路。

而在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果控制输出为0（低电平），则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1（它无法直接输出高电平）时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。正常使用时必须接上拉电阻（可用STM32的内部上拉，但建议在STM32外部再接一个上拉电阻），见图6-2中右侧的等效电路。它具“线与”特性，也就是说，当有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，即0V。

推挽输出模式一般应用在输出电平为0V和3.3V且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，一般都习惯使用推挽输出模式。

开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通信等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5V，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5V的电平。

通过“输出类型寄存器GPIOx_OTYPER”可以控制GPIO端口为推挽模式或开漏模式。

3. 输出数据寄存器

前面提到的双MOS管结构电路的输入信号是由GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值影响电路的输出。

4. 复用功能输出

“复用功能输出”中的“复用”是指STM32的其他片上外设对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚是该外设功能的一部分，算是第二用途。从其他外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，以图6-1中的梯形结构作为开关切换选择。

例如，使用USART串口通信时，需要用到某个GPIO引脚作为通信发送引脚，这时就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚发送数据。

5. 输入数据寄存器

看图6-1的上半部分，它是GPIO引脚经过上拉、下拉电阻后引入的，连接到施密特触发器，模拟信号经过触发器后，转化为0、1的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

6. 复用功能输入

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输出模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其他片上外设，由该外设读取引脚状态。

同样，若使用USART串口通信时，需要将某个GPIO引脚作为通信接收引脚，这时就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通信引脚接收远端数据。

7. 模拟输入输出

当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，具有“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1两种状态，所以若ADC外设要采集原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO引脚用于DAC模拟电压的输出通道时，具有“模拟输出”功能，此时DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构了，在GPIO结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。同时，当GPIO用于模拟功能时（包括输入输出），引脚的上拉、下拉电阻是不起作用的，这时即使在寄存器配置了上拉或下拉模式，也不会影响模拟信号的输入输出。

6.2.2 GPIO工作模式

总结一下，由GPIO的结构决定了GPIO可以配置成以下何种工作模式。

1. 输入模式（上拉/下拉/浮空）

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止。数据寄存器每隔1个AHB1时钟周期更新一次，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中AHB1的时钟默认配置为180MHz。

用于输入模式时，可设置为上拉、下拉或浮空模式。

2. 输出模式（推挽/开漏，上拉/下拉）

在输出模式中，输出使能，推挽模式下双MOS管以互补输出方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平；开漏模式下只有N-MOS管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz、25MHz、50MHz、100MHz几个选项。此处的输出速度是I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大。如果功耗要求不严格，可把速度设置成最大。

此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。

用于输出模式时，可使用上拉、下拉模式或浮空模式。但由于输出模式时引脚电平会受到ODR寄存器影响，而ODR寄存器对应引脚的位为0，即引脚初始化后默认输出低电平，在这种情况下，上拉只能小幅度提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

3. 复用功能（推挽/开漏，上拉/下拉）

在复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏或推挽模式，但是输出信号源于其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

用于复用功能时，可使用上拉、下拉模式或浮空模式。同输出模式，在这种情况下，初始化后引脚默认输出低电平，上拉只能小幅度提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

4. 模拟输入输出

在模拟输入输出模式中，双MOS管结构被关闭，施密特触发器停用，上拉、下拉也被禁止。其他外设通过模拟通道进行输入输出。

通过对GPIO寄存器写入不同的参数，可以改变GPIO的应用模式。再强调一下，要了解具体寄存器，一定要查阅《STM32F4xx参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO外设中，通过设置“模式寄存器GPIOx_MODER”可配置GPIO的输入/输出/复用/模拟模式，“输出类型寄存器GPIOx_OTYPER”配置推挽或开漏模式，“输出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR”可选2/25/50/100MHz输出速度，“上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”可配置上拉/下拉/浮空模式，各寄存器的具体参数值见表6-1。