GPIO 是通用輸入輸出端口的簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是STM32 可控制的引腳，STM32 芯片的GPIO

引腳與外部設(shè)備連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。STM32 芯片的GPIO被分成很多組，每組有16

個(gè)引腳，如型號(hào)為STM32F103VET6 型號(hào)的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC 至GPIOE 共5 組GPIO，芯片一共100

個(gè)引腳，其中GPIO就占了一大部分，所有的GPIO引腳都有基本的輸入輸出功能。

　　最基本的輸出功能是由STM32 控制引腳輸出高、低電平，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，如把GPIO引腳接入到LED 燈，那就可以控制LED

燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極管，那就可以通過(guò)繼電器或三極管控制外部大功率電路的通斷。最基本的輸入功能是檢測(cè)外部輸入電平，如把GPIO

引腳連接到按鍵，通過(guò)電平高低區(qū)分按鍵是否被按下。

　　GPIO 框圖剖析

　　通過(guò)GPIO 硬件結(jié)構(gòu)框圖，就可以從整體上深入了解GPIO 外設(shè)及它的各種應(yīng)用模式。該圖從最右端看起，最右端就是代表STM32 芯片引出的GPIO

引腳，其余部件都位于芯片內(nèi)部。

　　基本結(jié)構(gòu)分析

　　下面我們按圖中的編號(hào)對(duì)GPIO端口的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行說(shuō)明。

　　1. 保護(hù)二極管及上、下拉電阻

　　引腳的兩個(gè)保護(hù)二級(jí)管可以防止引腳外部過(guò)高或過(guò)低的電壓輸入，當(dāng)引腳電壓高于VDD 時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通，當(dāng)引腳電壓低于VSS

時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀。盡管有這樣的保護(hù)，并不意味著STM32

的引腳能直接外接大功率驅(qū)動(dòng)器件，如直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)要么電機(jī)不轉(zhuǎn)，要么導(dǎo)致芯片燒壞，必須要加大功率及隔離電路驅(qū)動(dòng)。

　　2. P-MOS 管和N-MOS 管

　　GPIO 引腳線路經(jīng)過(guò)兩個(gè)保護(hù)二極管后，向上流向“輸入模式”結(jié)構(gòu)，向下流向“輸出模式”結(jié)構(gòu)。先看輸出模式部分，線路經(jīng)過(guò)一個(gè)由P-MOS 和N-MOS

管組成的單元電路。這個(gè)結(jié)構(gòu)使GPIO具有了“推挽輸出”和“開(kāi)漏輸出”兩種模式。

　　所謂的推挽輸出模式，是根據(jù)這兩個(gè)MOS 管的工作方式來(lái)命名的。在該結(jié)構(gòu)中輸入高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)反向后，上方的P-MOS 導(dǎo)通，下方的N-MOS

關(guān)閉，對(duì)外輸出高電平;而在該結(jié)構(gòu)中輸入低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)反向后，N-MOS 管導(dǎo)通，P-MOS 關(guān)閉，對(duì)外輸出低電平。當(dāng)引腳高低電平切換時(shí)，兩個(gè)管子輪流導(dǎo)通，P

管負(fù)責(zé)灌電流，N 管負(fù)責(zé)拉電流，使其負(fù)載能力和開(kāi)關(guān)速度都比普通的方式有很大的提高。推挽輸出的低電平為0

伏，高電平為3.3伏，它是推挽輸出模式時(shí)的等效電路。

　　而在開(kāi)漏輸出模式時(shí)，上方的P-MOS 管完全不工作。如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS 管關(guān)閉，N-MOS 管導(dǎo)通，使輸出接地，若控制輸出為1

(它無(wú)法直接輸出高電平)時(shí)，則P-MOS 管和N-MOS

管都關(guān)閉，所以引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態(tài)。為正常使用時(shí)必須外部接上拉電阻。它具有“線與”特性，也就是說(shuō)，若有很多個(gè)開(kāi)漏模式引腳連接到一起時(shí)，只有當(dāng)所有引腳都輸出高阻態(tài)，才由上拉電阻提供高電平，此高電平的電壓為外部上拉電阻所接的電源的電壓。若其中一個(gè)引腳為低電平，那線路就相當(dāng)于短路接地，使得整條線路都為低電平，0

伏。

　　推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為0 和3.3 伏而且需要高速切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)的場(chǎng)合。在STM32

的應(yīng)用中，除了必須用開(kāi)漏模式的場(chǎng)合，我們都習(xí)慣使用推挽輸出模式。

　　開(kāi)漏輸出一般應(yīng)用在I2C、SMBUS 通訊等需要“線與”功能的總線電路中。除此之外，還用在電平不匹配的場(chǎng)合，如需要輸出5

伏的高電平，就可以在外部接一個(gè)上拉電阻，上拉電源為5 伏，并且把GPIO 設(shè)置為開(kāi)漏模式，當(dāng)輸出高阻態(tài)時(shí)，由上拉電阻和電源向外輸出5 伏的電平。

　　3. 輸出數(shù)據(jù)寄存器

　　前面提到的雙MOS 管結(jié)構(gòu)電路的輸入信號(hào)， 是由GPIO“

輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我們通過(guò)修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值就可以修改GPIO

引腳的輸出電平。而“置位/復(fù)位寄存器GPIOx_BSRR”可以通過(guò)修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值從而影響電路的輸出。

　　4. 復(fù)用功能輸出

　　“復(fù)用功能輸出”中的“復(fù)用”是指STM32 的其它片上外設(shè)對(duì)GPIO 引腳進(jìn)行控制，此時(shí)GPIO

引腳用作該外設(shè)功能的一部分，算是第二用途。從其它外設(shè)引出來(lái)的“復(fù)用功能輸出信號(hào)”與GPIO本身的數(shù)據(jù)據(jù)寄存器都連接到雙MOS

管結(jié)構(gòu)的輸入中，通過(guò)圖中的梯形結(jié)構(gòu)作為開(kāi)關(guān)切換選擇。

　　例如我們使用USART 串口通訊時(shí)，需要用到某個(gè)GPIO引腳作為通訊發(fā)送引腳，這個(gè)時(shí)候就可以把該GPIO引腳配置成USART

串口復(fù)用功能，由串口外設(shè)控制該引腳，發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　1 // GPIOB 16 個(gè)IO 全部輸出 0XFF

　　2 GPIOB->ODR = 0XFF;

　　5. 輸入數(shù)據(jù)寄存器

　　看GPIO 結(jié)構(gòu)框圖的上半部分，GPIO

引腳經(jīng)過(guò)內(nèi)部的上、下拉電阻，可以配置成上/下拉輸入，然后再連接到施密特觸發(fā)器，信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)器后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0、1

的數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在“輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR”中，通過(guò)讀取該寄存器就可以了解GPIO引腳的電平狀態(tài)。

　　1 // 讀取GPIOB 端口的16 位數(shù)據(jù)值2uint16_ttemp;3 temp = GPIOB->IDR;

　　6. 復(fù)用功能輸入

　　與“復(fù)用功能輸出”模式類似，在“復(fù)用功能輸入模式”時(shí)，GPIO引腳的信號(hào)傳輸?shù)?p>　　STM32 其它片上外設(shè)，由該外設(shè)讀取引腳狀態(tài)。

　　同樣，如我們使用USART 串口通訊時(shí)，需要用到某個(gè)GPIO引腳作為通訊接收引腳，這個(gè)時(shí)候就可以把該GPIO 引腳配置成USART

串口復(fù)用功能，使USART 可以通過(guò)該通訊引腳的接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)。

　　7. 模擬輸入輸出

　　當(dāng)GPIO 引腳用于ADC 采集電壓的輸入通道時(shí)，用作“模擬輸入”功能，此時(shí)信號(hào)是不經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器的，因?yàn)榻?jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器后信號(hào)只有0、1

兩種狀態(tài)，所以ADC 外設(shè)要采集到原始的模擬信號(hào)，信號(hào)源輸入必須在施密特觸發(fā)器之前。類似地，當(dāng)GPIO 引腳用于DAC

作為模擬電壓輸出通道時(shí)，此時(shí)作為“模擬輸出”功能，DAC 的模擬信號(hào)輸出就不經(jīng)過(guò)雙MOS 管結(jié)構(gòu)，模擬信號(hào)直接輸出到引腳。

　　GPIO 工作模式

　　總結(jié)一下，由GPIO的結(jié)構(gòu)決定了GPIO可以配置成以下模式：

　　(在固件庫(kù)中，GPIO總共有8 種細(xì)分的工作模式，大致歸類為以下三類)

　　1. 輸入模式(模擬/浮空/上拉/下拉)

　　在輸入模式時(shí)，施密特觸發(fā)器打開(kāi)，輸出被禁止，可通過(guò)輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR讀取I/O

狀態(tài)。其中輸入模式，可設(shè)置為上拉、下拉、浮空和模擬輸入四種。上拉和下拉輸入很好理解，默認(rèn)的電平由上拉或者下拉決定。浮空輸入的電平是不確定的，完全由外部的輸入決定，一般接按鍵的時(shí)候用的是這個(gè)模式。模擬輸入則用于ADC

采集。

　　2. 輸出模式(推挽/開(kāi)漏)

　　在輸出模式中，推挽模式時(shí)雙MOS 管以輪流方式工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 輸出高低電平。開(kāi)漏模式時(shí)，只有N-MOS

管工作，輸出數(shù)據(jù)寄存器可控制I/O輸出高阻態(tài)或低電平。輸出速度可配置，有2MHz10MHz50MHz 的選項(xiàng)。此處的輸出速度即I/O

支持的高低電平狀態(tài)最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，如果功耗要求不嚴(yán)格，把速度設(shè)置成最大即可。

　　在輸出模式時(shí)施密特觸發(fā)器是打開(kāi)的，即輸入可用，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O 的實(shí)際狀態(tài)。

　　3. 復(fù)用功能(推挽/開(kāi)漏)

　　復(fù)用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開(kāi)漏及推挽模式，但是輸出信號(hào)源于其它外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR

無(wú)效;輸入可用，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O 實(shí)際狀態(tài)，但一般直接用外設(shè)的寄存器來(lái)獲取該數(shù)據(jù)信號(hào)。

　　通過(guò)對(duì)GPIO 寄存器寫入不同的參數(shù)，就可以改變GPIO

的工作模式，再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，要了解具體寄存器時(shí)一定要查閱《STM32F10X-中文參考手冊(cè)》中對(duì)應(yīng)外設(shè)的寄存器說(shuō)明。在GPIO

外設(shè)中，控制端口高低控制寄存器CRH和CRL 可以配置每個(gè)GPIO的工作模式和工作的速度，每4 個(gè)位控制一個(gè)IO，CRH 控制端口的高八位，CRL

控制端口的低8 位，具體的看CRH 和CRL 的寄存器描述。