1. GPIO简介

STM32的GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32微控制器中最基本且常用的外设之一，提供了与外部设备进行数据交换的接口。GPIO引脚具有非常高的灵活性，可以通过多种配置来适应不同的应用需求。

2. GPIO内部构造

参考STM32F103XX官方手册GPIO章节，可以看到官方的GPIO内部结构图，接下来对每个部分进行分析。

2.1 保护二极管

保护二极管通常是与输入引脚并联的，这些二极管有特定的工作电压阈值，当输入信号超过或低于这个阈值时，它们会导通以保护引脚。

2.11 正向保护二极管

工作原理：当GPIO引脚的电压大于Vdd（例如高于3.3V的情况下），保护二极管会被反向偏置并导通。此时，多余的电压通过二极管流向Vdd电源，避免了输入引脚的电压超出微控制器的额定电压范围。

2.12 反向保护二极管

工作原理：当GPIO引脚的电压低于GND（例如低于0V的情况下），保护二极管会导通，将电流引导至地线（GND），防止电压过低导致电路损坏。

2.2 上下拉电阻

2.2.1 上下拉电阻的作用

GPIO引脚在配置为输入模式时，若没有连接外部电路（如按钮、开关等），会处于一种不稳定的状态，称为浮空（floating）状态。浮空状态的引脚在没有上拉或下拉电阻时，会因为电磁干扰或其他外部因素而随机波动，导致不确定的输入值。这会引起错误的输入信号，影响程序的稳定性。

为了避免这种情况，STM32提供了内部上拉电阻（Pull-up）和内部下拉电阻（Pull-down），它们的作用是强制GPIO引脚在输入模式下保持稳定的电平（高电平或低电平）。

2.2.2 上拉电阻（Pull-up Resistor）

定义：上拉电阻将GPIO引脚的电压拉到高电平（Vdd）。当GPIO配置为输入模式时，启用上拉电阻时，引脚会通过电阻连接到Vdd（电源电压），确保引脚处于高电平。

作用：上拉电阻主要用于那些需要处于默认高电平（1）状态的输入，例如连接按钮、开关等外部组件时，可以确保按钮未按下时，GPIO引脚默认读取为高电平。

示例：

按钮连接：当按钮未按下时，GPIO引脚通过上拉电阻连接到Vdd，因此引脚状态为高电平。当按钮按下时，GPIO引脚连接到地（GND），此时引脚状态为低电平。

2.2.3 下拉电阻（Pull-down Resistor）

定义：下拉电阻将GPIO引脚的电压拉到低电平（GND）。当GPIO配置为输入模式时，启用下拉电阻时，引脚会通过电阻连接到GND（地），确保引脚处于低电平。

作用：下拉电阻主要用于那些需要处于默认低电平（0）状态的输入。典型的应用场景包括按钮、开关等，当按钮处于未按下状态时，GPIO引脚将默认读取为低电平。

示例：

按钮连接：当按钮未按下时，GPIO引脚通过下拉电阻连接到GND，因此引脚状态为低电平。当按钮按下时，GPIO引脚连接到Vdd，此时引脚状态为高电平。

2.2.4 STM32中上下拉电阻的配置

由官方手册得知，上下拉电阻的启用与禁用是通过(GPIOx_ODR) (x=A..E)寄存器来控制的。这个寄存器允许开发者在每个GPIO引脚上启用或禁用上拉/下拉电阻。每个引脚的配置是独立的，因此可以灵活地选择哪个引脚启用哪种电阻。

示例：

将PA13引脚设置为上拉输入模式：

13引脚对应高寄存器，故应该配置GPIOA_CRH寄存器，官方的说明如下：

13引脚由MODE13[1:0]，CNF13[1:0]共计4位来配置，由图知MODE13[1:0]应配置为00，CNF13[1:0]应配置为10，然后由手册可知还需要配置ODR寄存器

将GPIOA_ODR寄存器第13位（对应PA13）设置为1 ，完成所有配置。

配置上/下拉电阻总结

1.确认引脚编号，以及要配置的模式

2.查数据手册，确认要操作的寄存器

3.配置GPIOx_CRH/GPIOx_CHL中的MODEy[1:0]、CNFy[1:0]来选择输入、输出模式

4.配置GPIOx_ODR的第y位为0/1来选择下拉还是上拉

2.3 斯密特触发器

斯密特触发器（Schmitt Trigger）是一种基于正反馈的输入信号处理电路，常用于将噪声信号或不稳定的输入信号转换为稳定的数字信号。它的核心特点是具有滞回特性（Hysteresis），即它对上升沿和下降沿信号的响应不同，从而有效地消除输入信号的小幅度噪声或抖动。

2.3.1 斯密特触发器的工作原理

斯密特触发器的工作原理是利用正反馈来产生滞回效应，使得它对输入信号的变化不那么敏感，尤其是在输入信号接近阈值时。通过这种方式，它能够可靠地将一个模拟信号转换为清晰的数字信号。

• 输入信号：通常是一个连续变化的模拟信号（例如一个噪声较大的方波或正弦波信号）。
• 输出信号：一个稳定的数字信号（高电平或低电平）。

2.3.2 滞回效应（Hysteresis）

斯密特触发器的核心优势在于它引入了滞回效应，这意味着输入信号需要跨越两个不同的阈值电压（上升和下降阈值）才能使输出电平发生变化。这两个阈值通常称为上阈值和下阈值，分别决定信号从低电平切换到高电平，或从高电平切换到低电平的条件。

• 上阈值（Vth+）：当输入信号的电压超过这个阈值时，输出会跳变到高电平。
• 下阈值（Vth-）：当输入信号的电压低于这个阈值时，输出会跳变到低电平。

2.3.3 阈值的滞回特点

当输入信号逐渐变化时，斯密特触发器不会在接近上阈值或下阈值时立即改变输出电平，而是根据输入信号是否超过了这些阈值来确定输出状态。这种设计避免了输入信号在接近阈值时的频繁切换，特别是在存在噪声或抖动的情况下。

2.3.3 斯密特触发器的特点

• 消除噪声：斯密特触发器特别适合处理噪声较大的信号。它通过滞回效应忽略了输入信号的微小变化，使得最终的输出信号更加稳定。
• 滞回特性：斯密特触发器具有不同的上升和下降阈值，避免了信号在噪声影响下频繁切换。
• 输入信号去噪：即使输入信号接近电平切换点，并且信号上有噪声，斯密特触发器仍能提供稳定的输出。
• 简单易用：由于其简单的结构和广泛的应用，斯密特触发器常常被用作数字电路中的信号清洁器。

2.4 P-MOS和N-MOS

在GPIO引脚的设计中，P-MOS和N-MOS晶体管被用来控制引脚的电平状态，通常通过组成推挽输出电路（Push-Pull Circuit）。这种电路可以让GPIO引脚既能驱动高电平，也能驱动低电平，提供更强的驱动能力。

2.4.1 GPIO输出高电平（1）

• P-MOS晶体管导通，将GPIO引脚拉高到Vcc。
• N-MOS晶体管关闭，不导通。

2.4.2 GPIO输出低电平（0）

• N-MOS晶体管导通，将GPIO引脚拉低到GND。
• P-MOS晶体管关闭，不导通。

双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

2.5 输出数据寄存器

双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

2.6 输入数据寄存器

输入数据寄存器是由 IO 口经过上下拉电阻、施密特触发器引入。当信号经过触发器，模拟信号将变为数字信号 0 或 1，然后存储在输入数据寄存器中，通过读取输入数据寄存器 GPIOx_IDR 就可以知道 IO 口的电平状态。

3. GPIO工作模式

GPIO引脚的工作模式通常可以分为以下几种：

• 输入模式
• 输出模式
• 复用功能模式
• 模拟输入模式

每种模式下，GPIO引脚的行为不同，因此可以根据具体应用场景选择合适的模式。

3.1 GPIO工作模式详细介绍

3.1.1 输入模式（Input Mode）

输入模式用于从外部设备或传感器接收信号。在此模式下，P-MOS和N-MOS均关闭，相当于极大值电阻，输出功能关闭，斯密特触发器打开，GPIO引脚仅用于接收外部信号，并将其传递给内部电路。

• 浮空输入（Floating Input）：此时GPIO引脚不连接任何电压源，处于浮空状态，易受外界电磁干扰，因此通常配合上拉电阻或下拉电阻使用。
• 上拉输入（Input with Pull-up）：输入引脚连接一个内部上拉电阻，当没有外部信号时，GPIO会保持在高电平（Vcc），外部信号拉低时，GPIO引脚电平为低（0V）。
• 下拉输入（Input with Pull-down）：输入引脚连接一个内部下拉电阻，当没有外部信号时，GPIO会保持在低电平（GND），外部信号拉高时，GPIO引脚电平为高（Vcc）。

应用场景：

• 按钮输入
• 传感器数据读取

3.1.2 输出模式（Output Mode）

输出模式用于向外部设备发送信号，此时上下拉电阻被禁用，输出模式由P-MOS管和N-MOS管的激活状态控制。STM32的GPIO可以配置为以下几种输出模式：

• 推挽输出（Push-Pull Output）：GPIO引脚可以提供两种状态：高电平（Vcc）和低电平（GND），并且能够驱动外部负载。该模式适用于需要高电流驱动的应用，如LED控制、电机驱动等。
• 开漏输出（Open-Drain Output）：GPIO引脚只能输出低电平，若需要输出高电平，必须通过外部上拉电阻将电平拉高。开漏输出通常用于I2C总线等需要共享数据总线的通信协议。

应用场景：

• 驱动LED、蜂鸣器等外设
• 控制继电器等开关设备

3.1.3 复用功能模式（Alternate Function Mode）

GPIO引脚不仅可以用作普通的输入或输出，还可以配置为各种复用功能模式。这些复用功能可以包括串行通信接口（如USART、SPI、I2C等）和定时器输出等。

• 串行通信接口（USART、SPI、I2C）：许多GPIO引脚可以配置为这些协议的信号传输引脚。例如，USART的TX（发送）和RX（接收）引脚，SPI的MOSI、MISO、SCK等引脚。
• 定时器功能：GPIO引脚可以配置为定时器的输出引脚，产生PWM波形等。
• 外部中断：GPIO引脚也可以作为外部中断输入，触发中断服务程序（ISR）进行处理。

应用场景：

• 串行通信（USART、SPI、I2C）
• 定时器输出（PWM波形生成）
• 外部中断检测

3.1.4 模拟输入模式（Analog Mode）

在模拟模式下，GPIO引脚的输入是完全模拟的，施密特触发器关闭，即不进行数字化处理。该模式用于需要连续信号的应用，例如模拟传感器读取等。

输入模式下的模拟功能：GPIO引脚用于读取外部模拟信号（如传感器输出的电压），并通过ADC（模拟-数字转换器）进行采样。

应用场景：

• 模拟传感器信号采集

3.1.5 GPIO的中断功能

STM32还支持通过GPIO引脚触发外部中断。当GPIO引脚配置为输入模式时，它可以通过外部信号的变化（如电平变化或上升/下降沿）触发中断。在中断发生时，处理器可以执行一个特定的中断服务程序（ISR）。

应用场景：

• 按钮按下检测
• 外部设备状态变化监控

4. 总结

GPIO引脚在微控制器中非常灵活，可以配置为不同的工作模式来满足不同应用的需求。STM32等微控制器提供了丰富的GPIO配置选项，通过不同的模式选择，可以使GPIO引脚适应多种输入、输出及复用功能的应用场景。常见的模式包括：

• 输入模式：读取外部信号。
• 输出模式：驱动外部设备。
• 复用功能模式：用于串行通信、定时器等。
• 模拟模式：读取模拟信号。

通过合理配置GPIO引脚，可以实现丰富的外设控制和信号采集功能。