MCU的GPIO 八种模式
MCU的GPIO 八种模式
GPIO（通用输入输出）是微控制器（MCU）中非常重要的外设之一，它提供了灵活的输入输出功能，可以配置为不同的模式以适应各种应用场景。本文详细介绍了STM32系列MCU的GPIO八种工作模式及其原理，包括浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入、推挽输出、开漏输出、复用推挽输出和复用开漏输出模式。
对于MCU来说，GPIO总共有8种模式：
- 浮空输入模式
- 上拉输入模式
- 下拉输入模式
- 模拟输入模式
- 推挽输出模式
- 开漏输出模式
- 复用推挽输出模式
- 复用开漏输出模式
一、STM32 普通 GPIO 内部逻辑图
1、保护二极管
IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。也叫钳位二极管。
2、P-MOS 管和 N-MOS 管
由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。
3、TTL 肖特基触发器
信号经过触发器后，模拟信号转化为 0 和 1 的数字信号。但是，当 GPIO 引脚作为 ADC 采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。（可以理解为一个比较器，大于某个值是1，小于某个值是0）
查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的；
如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。比如STM32F103VET6的GPIOE口那一组全部兼容5V，其他组是部分兼容5V。
二、模式
1、浮空输入模式
当GPIO引脚配置为浮空输入模式时，外部电平信号通过IO引脚传输到施密特触发器（即图中TTL肖特基触发器）并最终进入输入数据寄存器，MCU通过读取输入数据寄存器获取外部电平信号。
现象体现：
IO引脚浮空时，读取输入电平信号可能为0，也可能为1
IO引脚接高电平时，读取输入电平信号为1
IO引脚接低电平时，读取输入电平信号为0
2、上拉输入模式
当GPIO引脚配置为上拉输入模式时，上拉电阻开关闭合，当IO引脚未接电平信号时，VDD（高电平信号）通过上拉电阻经过施密特触发器存入输入数据寄存器，因此未接电平信号时读取该IO引脚输入数据寄存器值为1。
现象体现：
IO引脚浮空时，读取输入电平信号为1
IO引脚接高电平时，读取输入电平信号为1
IO引脚接低电平时，读取输入电平信号为0
3、下拉输入模式
当GPIO引脚配置为下拉输入模式时，下拉电阻开关闭合，当IO引脚未接电平信号时，VSS（低电平信号）通过下拉电阻经过施密特触发器存入输入数据寄存器，因此未接电平信号时读取该IO引脚输入数据寄存器值为0。
现象体现：
IO引脚浮空时，读取输入电平信号为0
IO引脚接高电平时，读取输入电平信号为1
IO引脚接低电平时，读取输入电平信号为0
4、模拟输入模式
当GPIO引脚配置为模拟输入模式时，IO引脚信号直接通过模拟输入端进入片上外设模块，IO口外部电压信号为模拟量，非电平形式。通常配置ADC时GPIO引脚初始化配置为模拟输入模式。
5、推挽输出模式
当GPIO引脚配置为推挽输出模式时，推挽电路（push-pull）就是两个不同极性晶体管间连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的MOSFET管，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。当设置输出的值为为高电平时，P-MOS导通，N-MOS截止，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定为高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于截止状态，N-MOS管处于导通状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定为低电平，同时IO口输出的电平可以通过输入电路读取，此时I/O端口的电平一定是输出的电平
现象体现：
当IO引脚配置输出高电平信号时，读该引脚信号一直为高电平信号1，此时可以通过直接读取该引脚输入数据寄存器获取输出电平信号
当IO引脚配置输出低电平时，输出信号一直为低电平信号0，此时可以通过直接读取该引脚输入数据寄存器获取输出电平信号
6、开漏输出模式
当GPIO引脚配置为开漏输出模式时，通过设置 位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于截止状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于导通状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平，可通过直接读取该引脚确定输出电平信号GPIO_ReadInputDataBit()
现象体现：
当IO引脚配置输出高电平且接上拉电阻时，读该引脚信号一直为高电平信号1，如下图：
当IO引脚配置输出高电平且接下拉电阻或不接电平信号时，读该引脚信号一直为低电平信号0，如下图：
IO引脚配置输出低电平时，无论上拉还是下拉，输出信号一直为低电平信号，如下图：
7、复用推挽输出模式
具有推挽模式的特点，但输出源通常由其他外设控制
8、复用开漏输出模式
具有开漏模式的特点，但输出源通常由其他外设控制。