【工程师6】+理论类+STM32的GPIO库函数详解

对于GPIO口的模式，来个图形详细讲解

浮空输入_IN_FLOATING

带上拉输入_IPU

带下拉输入_IPD

模拟输入_AIN

开漏输出_OUT_OD

推挽输出_OUT_PP

开漏复用输出_AF_OD

推挽复用输出_AF_PP

以下是八种模式的工作原理：

一.GPIO浮空输入_IN_FLOATING模式工作原理：

以上截图就是浮空输入模式的原理图，图中阴影的部分在浮空输入模式下是处于不工作状态的，尤其是下半部分的输出电路，实际上这时的输出电路与输入的端口处于隔离状态。

二.GPIO带上拉输入_IPU 模式工作原理：

上图是STM32的GPIO带上拉输入模式的原理图。

与前面介绍的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上面，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 欧姆。同样，CPU可以随时在“输入数据寄存器”的另一端，通过内部的数据总线读出I/O 端口的电平变化的状态。

三.GPIO带下拉输入_IPD 模式工作原理：

对于输入下拉模式的输入，是在数据通道的下部，接入了一个下拉电阻。

根据STM32的数据手册，这个下拉电阻阻值也是介于30K~50K 欧姆。

对于要加上拉或下拉电阻：

1.当作单片机作为输入时，假设我们直接在IO端口接一个按键到地（或电源）。

因为按键按，于不按管脚都是悬空的。单片机就很难检测按键是否按下。

所以人为的接一个上拉（或下拉）。以确定未按下的时候IO输入电平的状态

2.可以提高芯片的抗干扰能

四、GPIO模拟输入_AIN 模式工作原理：

如果把STM32配置为模拟输入模式时，工作原理就比较简单了，信号从左边编号为1 的端口进从右边编号为2的一端直接进入STM32单片机的AD模块。

五、GPIO开漏输出_OUT_OD 模式工作原理

上图是GPIO开漏输出模式的工作原理图

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I/O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，噪声很高  

当我们的项目不需要比较高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI 性能。

当然如果我们的项目要求输出较高频率的信号,但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到比较失真的输出信号

六、GPIO推挽输出_OUT_PP模式工作原理

GPIO的推挽输出模式是在开漏输出模式的基础上，在“输出控制电路”之后，增加了一个P-MOS管

七、GPIO开漏复用输出_AF_OD模式工作原理

GPIO的开漏复用输出模式与开漏输出模式的工作原理基本相同

八、GPIO推挽复用输出_AF_PP模式工作原理

最后介绍一下GPIO推挽复用输出模式的工作原理

4输入 + 2 输出 + 2 复用输出，一共是8种模式

图形结合文字讲解完毕，希望对于stm32单片机新手学习有所帮助

对于刚入门的新手，我想这几个概念是必须得搞清楚的，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，但一直未曾对这些做过归纳。因此，在这里做一个总结：

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。

详细理解：

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。）

3. 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。

4. 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.

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：

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。