STM32 GPIO八种输入输出模式的功能及区别

痛定思痛。 2023-06-16 14:52 17阅读 0赞

# 一、GPIO八种输入输出模式 #

（1） GPIO\_Mode\_AIN 模拟输入  
（2） GPIO\_Mode\_IN\_FLOATING 浮空输入  
（3） GPIO\_Mode\_IPD 下拉输入  
（4） GPIO\_Mode\_IPU 上拉输入  
（5） GPIO\_Mode\_Out\_OD 开漏输出  
（6） GPIO\_Mode\_Out\_PP 推挽输出  
（7） GPIO\_Mode\_AF\_OD 复用开漏输出  
（8） GPIO\_Mode\_AF\_PP 复用推挽输出

# 二、几种常用的模式特点 #

平时接触的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入这三种。

推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由 IC 的电源低定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。  
![在这里插入图片描述][20191126201619518.png_pic_center]  
如图所示，推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经 VT3 拉出。这样一来，输出高低电平时， VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般 20ma 以内).  
开漏形式的电路有以下几个特点：

1.  利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。当 IC 内部 MOSFET 导通时，驱动电流是从外部的VCC 流经 R pull-up ， MOSFET 到 GND。 IC 内部仅需很下的栅极驱动电流。2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供 TTL/CMOS 电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小， 所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。 ）
2.  OPEN-DRAIN 提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
3.  可以将多个开漏输出的 Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是 I2C， SMBus 等总线判断总线占用状态的原理。补充：什么是“线与”？：在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑.
4.  其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑 0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为 0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。  
    关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTA3MjEzMg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
    该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的 PNP 三极管截止，而上面 NPN 三极管导通，输出电平 VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反， PNP 三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

浮空输入：对于浮空输入，一直没找到很权威的解释，只好从以下图中去理解了  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTA3MjEzMg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下， IO 的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。  
上拉输入/下拉输入/模拟输入：这几个概念很好理解，从字面便能轻易读懂。  
复用开漏输出、复用推挽输出：可以理解为 GPIO 口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用 IO口使用）

# 三、八种模式总结 #

最后总结下使用情况：  
在 STM32 中选用 IO 模式  
（1） 浮空输入\_IN\_FLOATING ——浮空输入，可以做 KEY 识别， RX1  
（2）带上拉输入\_IPU——IO 内部上拉电阻输入  
（3）带下拉输入\_IPD—— IO 内部下拉电阻输入  
（4） 模拟输入\_AIN ——应用 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电  
（5）开漏输出\_OUT\_OD ——IO 输出 0 接 GND， IO 输出 1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为 1 时， IO 口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样 IO 口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读 IO 输入电平变化，实现 C51 的 IO 双向功能  
（6）推挽输出\_OUT\_PP ——IO 输出 0-接 GND， IO 输出 1 -接 VCC，读输入值是未知的  
（7）复用功能的推挽输出\_AF\_PP ——片内外设功能（I2C 的 SCL,SDA）  
（8）复用功能的开漏输出\_AF\_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

通常有 5 种方式使用某个引脚功能，它们的配置方式如下：  
1）作为普通 GPIO 输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、 带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。  
2）作为普通 GPIO 输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。  
3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。  
4）作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、 带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。  
5）作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

注意如果有多个复用功能模块对应同一个引脚，只能使能其中之一，其它模块保持非使能状态。

stm32 复位后,IO 端口处于输入浮空状态.  
JTAG 引脚复位以后,处于上拉或者下拉状态.

所有 IO 端口都具有外部中断能力,端口必须配置成输入模式,才能使用外部中断功能.

IO 端口复用功能配置:  
对于复用功能输入,端口可以配置成任意输入模式或者复用功能输出模式.  
对于复用功能输出,端口必须配置成复用功能输出  
对于双向复用功能,端口必须配置成复用功能输出

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