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1、STM32的GPIO结构图

GPIO共有8中设置模式:输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽式输出、推挽式复用功能,开漏复用功能,共4种输入,2种输入,2种复用功能。

2、模式说明

①浮空输入

图中施密特触发器是开启的,IO口的状态可以直接送到输入寄存器中,CPU可以直接读取输入寄存器;

在上图中,阴影的部分处于不工作状态,尤其是下半部分的输出电路,实际上是与端口处于隔离状态。

黄色的高亮部分显示了数据传输通道,外部的电平信号通过左边编号1的IO端口进入STM32,经过编号2的施密特触发器的整形送入编号3的输入数据寄存器,在输入数据寄存器的另一端编号4,CPU可以随时读出IO端口的电平状态。

②上拉输入

STM32的GPIO带上拉输入模式的配置。与前面的浮空输入模式相比,仅仅是在数据通道上部,接入了一个上拉电阻,根据STM32的数据手册,这个上拉电阻阻值介于30K~50K。

同样,CPU可以随时在输入数据寄存器的另一端,读出IO端口的电平状态。

③下拉输入

④模拟输入

施密特触发器是关闭的,信号直接到ADC输入;

STM32的模拟输入通道的配置则更加简单,信号从左边编号1的端口进入,从右边编号2的一端直接进入ADC模块。

这里我们看到所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器,均处于断开状态,因此输入数据寄存器将不能反映端口上的电平状态,也就是说,模拟输入配置下,CPU不能在输入数据寄存器上读到有效的数据。

⑤开漏输出模式

当CPU在编号1端通过“位设置/清楚寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后,该数据位通过编号2的输出控制电路传送到编号4的IO端口。

如果CPU写入的是逻辑1,则编号3的N-MOS管将处于关闭状态,此时IO端口的电平将由外部的上拉电阻决定,如果CPU写入的是逻辑0,则编号3的N-MOS管将处于开启状态,此时IO端口的电平被编号3的N-MOS管拉到了VSS的零电位。

在上图的上半部,施密特触发器处于开启状态,这意味着CPU可以在“输入数据寄存器”的另一端,随时监控IO端口的状态;通过这个特性,还实现了虚拟的IO端口双向通信,只要CPU输出逻辑1,由于编号3的N-MOS管处于关闭状态,IO端口的电平将完全由外部电路决定,因此,CPU可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号,而不是它自己输出的逻辑1。

GPIO口的输出模式下,有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz),这个速度是指GPIO口驱动电路的响应速度,而不是输出信号的速度,输出信号的速度与程序有关(芯片内部在IO口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路,用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路)。通过选择速度来选择不同的输出驱动模块,达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。高频的驱动电路,噪声也高,当不需要高的输出频率时,请选用低频驱动电路,这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高的频率的信号,但却选用了较低频率的驱动模块,很可能会得到失真的输出信号。

⑥开漏输出复用功能

⑦推挽输出模式

⑧推挽复用输出模式

GPIO推挽复用输出模式,编号2的输出控制电路的输入,与复用功能的输出端相连,此时输出数据寄存器被从输出通道断开了,并和片上外设的输出信号连接。我们将GPIO配置成复用输出功能后,如果外设没有被激活,那么它的输出将不确定,其它部分与前述模式一致,包括对“输入数据寄存器”的读取。

3、应用场合

①上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号;例如,按键等;

②浮空输入模式,由于输入阻抗较大,一般把这种模式用于标准通信协议的I2C、USART的接收端;

③普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3V的场合。而普通开漏输出模式一般应用在电平不匹配的场合,如需要输出5V的高电平,就需要在外部一个上拉电阻,电源为5V,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电平。

④对于相应的复用模式,则是根据GPIO的复用功能来选择,如GPIO的引脚用作串口的输出,则使用复用推挽输出模式。如果用在IC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合,就使用复用开漏模式。

⑤在使用任何一种开漏模式时,都需要接上拉电阻。

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