STM32基础篇--GPIO

1. 引言

        GPIO的全称是Genral purpose input output，简称IO口，一般用于控制连接在GPIO口上的外设。大家可能只看了STM32的固件库怎么配置，但是可能会遗漏为什么要这样配置。本讲将从GPIO的工作原理出发进行讲解。

2. GPIO工作原理

        GPIO的每个位可由软件配置成多种模式，如下图所示：

        总结来说，GPIO可配置为输入和输出。接下来根据GPIO原理图来介绍各个输入/输出方式，其原理图如下所示：

        从又往左介绍一下上述原理图中的几个关键部分：

2.1 输入

       

        保护二极管：二极管由于单向导电性，具有钳位的作用。此处用于防止外部IO引脚电压过高或者过低，当IO引脚电压过高时，上方二极管导通，此时电压被拉到VDD；当IO引脚电压过低时，下方二极管导通，电压被拉到VSS。这样做的目的是防止不正常的电压进入芯片导致芯片烧毁。

        输入驱动器：很明显，当配置成输入模式时，信号需要从输入驱动器进入。输入驱动器由上下拉电阻、肖特基触发器组成。先来说上拉以及下拉电阻。上、下拉电阻的作用是将浮空的引脚拉到一个固定的状态（0或者1）。比如当配置成上拉输入时，代表将浮空引脚上拉到VDD，此时初始的状态确定为1，代表该输入IO口期望输入一个低电平；配置成下拉输入时，代表将引脚拉到GND，此时初始状态确定为0，代表该输入IO口期望输入一个高电平；当都不配置时，默认为浮空输入，此时该输入IO口高电平和低电平都有效（现在明白了配置IO口时不同的输入方式的区别了吗，当你期望给IO口输入一个低电平时，此时就该配置成上拉输入）。

        引申：当使用外部中断时需要指定期望的输入方式，如果不指定，默认为浮空输入，此时无论高电平或者低电平都能误触中断。

        肖特基触发器：当信号经过该触发器以后，模拟信号转换为数字信号0和1。因此当你用ADC功能时，需要配置成模拟输入，就不会经过该触发器，输入的就是模拟信号。

        输入数据寄存器：从该寄存器将输入值读出到芯片。

2.2 输出

        说完了输入方式，接下来介绍输出。首先是输出数据寄存器：此寄存器的值会通过输出驱动器输出，用于决定是P-MOS导通，还是N-MOS导通。

        输出驱动器：输出驱动器里边的关键部分是一对P-MOS和N-MOS组成的推挽结构。当配置成推挽输出时，当连接到P-MOS的栅极信号为低电平时，此时P-MOS管导通，VDD经过P-MOS输出到IO口，此时代表输出1；当连接到N-MOS的栅极信号为高电平时，此时N-MOS导通，VSS经过N-MOS输出到IO口，代表输出0（看上图）。因此，实际上点亮一颗LED时，都是靠的外部电源VDD/VSS供电进行点亮的，此时P-MOS/N-MOS就是一个开关。

        当配置成开漏输出时，只能输出低电平0。即N-MOS管导通时，输出低电平；P-MOS断开不能使用，此时为高阻态。当为开漏时要想输出高电平，可在外部接上拉电阻来实现。

        当配置成复用功能输出时，此时外部IO引脚和输出数据寄存器断开，并和片上外设的输出信号连接，即输出信号不再经过输出数据寄存器。

        引申：开漏和推挽的区别--如果想要电平转换速度快，选推挽，但功耗相对较高；如果想要功耗低，且实现“线与”功能，选择开漏。

3. 软件设计

        了解上述GPIO工作原理之后，怎么通过代码将GPIO用起来呢？答案在寄存器上，通过上述GPIO的工作原理了解到需要从输入/输出数据寄存器上去读或者写。而一般半导体厂商会将寄存器映射到某个地址（如下图所示），因此就可以通过操作地址去操控寄存器了，这也是用C语言开发的原因（由于指针特性）。

        即当将数据写入某个寄存器时，也就是将数据写入到某个地址；当将数据从某个寄存器读出来时，也是去取某个地址的数据。STM32的固件库底层原理就是这样实现的。其他的代码及寄存器配置本讲不再多说，大家可以自行去看一下固件库的具体实现。

4. 参考文献

        [1] STM32中文参考手册_V10;

        [2] STM32F103开发指南