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江协科技STM32课程笔记（一） —GPIO

news 2025/9/16 16:03:55

STM32系统结构

一、GPIO

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口
可配置为8种输入输出模式
引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V
输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等
输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

1、GPIO位结构

左边的三个为寄存器，中间的部分为驱动器，右边是引脚。

首先引脚处的两个二极管用于对输入电压进行限幅，当电压大于VDD，则电流会通过上面的二极管流入VDD，如果电压小于VSS，则电流通过VSS流出IO；而电压处于VSS和VDD之间时电流正常流入，用于保护内部电路。

其次输入驱动器中有两个电阻，对应上拉输入模式和下拉输入模式，如果两个开关均断开，则是浮空输入模式。上拉和下拉用于提供输入的默认值为1和0，浮空模式时根据引脚电压随意改变。为不影响输入操作，这两个电阻一般较大。TTL施密特触发器用于电压整形，当输入电压大于某个阈值则输出瞬间变为高电平，反之低于某个阈值时则瞬间变为低电平，相当于硬件消抖。模拟输入连接ADC，所以需要在施密特触发器前。

接着看输出驱动器。PMOS和NMOS组成推挽输出模式，数据为1时，pmos通，nmos断；数据为0时pmos断，nmos通，这种方式下的驱动能力较强；开漏模式，就是PMOS不存在，数据为1时引脚为高阻态，数据为0时nmos通为低电平，用于I2C通信（“线与”）和提供5v输出（引脚外部上拉电阻5v）

最后通过位设置/清除寄存器设置输出数据寄存器的某一位或某几位，来让引脚输出0或者1；

2、8种输入输出模式

浮空输入可在引脚不用时完全断开引脚，其他模式可能存在电流损耗或者短路，否则如果要使用，就需要接连续的驱动源，不能让引脚悬空。

3、LED和蜂鸣器硬件电路

硬件电路

左为低电平有效，右为高电平有效，R1用于限流，避免烧坏LED

左为PNP，低电平有效（带箭头的是发射极，需要左边的基极为低电平时，发射极与下面的集电极导通，电流从发射极流向基极和集电极）；右边是NPN，高电平有效（类比上面，电流从基极和集电极流向发射极）。忘记了可以看看下文。

一篇文章将三极管讲透：三极管从原理到应用，从参数到特性，从入门到精通_晶体三极管耗最高振荡频率(fm)-CSDN博客

需要注意：但凡是用三极管做开关信号，驱动负载，一律把负载接到集电极回路。

负载在集电极：

当GPIO输入高电平时，三极管进入饱和区。此时集电极-发射极之间的压降 Vce 非常小，通常在0.2V ~ 0.3V（称为饱和压降 Vce(sat)）。

因此，负载（蜂鸣器）两端的电压为 Vload = Vcc - Vce(sat) ≈ Vcc。蜂鸣器得到了几乎全部的电源电压，可以正常工作。

这是一个理想的开关：导通时电阻极低，压降极小。

负载在发射极（射极跟随器）：

在这种配置下，发射极电压 Ve 永远跟着基极电压 Vb 变化，且总是 Ve = Vb - 0.7V。

假设GPIO输出高电平为3.3V，那么发射极电压最高只能是 3.3V - 0.7V = 2.6V。

如果蜂鸣器的工作电压是5V，那么此时它最多只能获得2.6V的电压，无法达到额定电压，可能导致蜂鸣器不响、响声小或不稳定。

三极管无法进入饱和区，始终工作在线性区，Vce 压降较大（Vce = Vcc - Ve），导致三极管自身功耗大、发热严重。

负载在集电极：

GPIO电压和负载电源电压 Vcc 可以完全不同。你可以用一个3.3V的微控制器GPIO去控制一个由5V、12V甚至24V供电的负载。只要三极管的耐压（Vceo）足够，且基极电阻设置正确即可。这是该电路最大的优势之一。

负载在发射极：

GPIO的电压直接决定了负载能得到的最高电压。你必须使用一个比负载所需电压至少高0.7V的GPIO来控制它。这在实际应用中限制极大，几乎无法用于驱动高于逻辑电压的负载。

4、使用

输出以流水灯为例：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//开启时钟GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);uint8_t offset = 0x1;while (1){GPIO_Write(GPIOA,~offset);offset = (offset << 1) | (offset >> 7);sysDelayms(500);}

输入以按键为例：

硬件电路采用下拉方式，引脚内部采用上拉输入

uint8_t Key_GetNum(void)
{uint8_t Key = 0;		//定义变量，默认键码值为0if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)			//读PB1输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键1按下{sysDelayms(20);											//延时消抖while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0);	//等待按键松手sysDelayms(20);											//延时消抖Key |= GPIO_Pin_1;												//置键码为1}if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0)			//读PB11输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键2按下{sysDelayms(20);											//延时消抖while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0);	//等待按键松手sysDelayms(20);											//延时消抖Key |= GPIO_Pin_2;												//置键码为2}return Key;			//返回键码值，如果没有按键按下，所有if都不成立，则键码为默认值0
}void ledTurn(uint8_t Key)
{uint8_t temp = 0,writeData = 0;if(Key & GPIO_Pin_1){temp = (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1));writeData = (~temp)&0x1;GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1,(BitAction)writeData);}if(Key & GPIO_Pin_2){temp = (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2));writeData = (~temp)&0x1;GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_2,(BitAction)writeData);}
}int main(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//打开GPIOA和B时钟GPIO_InitTypeDef ledGPIO_InitStructure;ledGPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;ledGPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;ledGPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&ledGPIO_InitStructure);//初始化GPIOA ledGPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2);GPIO_InitTypeDef keyGPIO_InitStructure;keyGPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入keyGPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_11;keyGPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB,&keyGPIO_InitStructure);//初始化GPIOA ledvolatile uint8_t KeyNum = 0x0;	while (1){KeyNum = Key_GetNum();		//获取按键键码if(KeyNum != 0x0){ledTurn(KeyNum);}}
}