1.1 STM32_GPIO_基本知识

GPIO概述

GPIO全称为通用输入输出端口，可以对外设的信息进行采集以及对外设进行控制。

GPIO最大翻转频率计算

GPIO可以进行快速翻转，每次翻转最快只需两个时钟周期。例如STM32的晶振为72MHz，那么GPIO的最快翻转速度为72/2 = 36MHz。对于F1，手册上标注的最快速度为50MHz，该数值是在超频下测量，而不是72MHz。

GPIO的分组

GPIO以大写字母ABC...进行分组，每一个组最多有16个IO，最终标注为PA0~PA15等等。

电气特性

STM32的工作电压：

工作电压范围为2V~3.6V，一般接入3.3V电压。

GPIO的识别电压范围如下：

• 对于CMOS端口，高电平VIH：1.833V~3.6V，低电平VIL：-0.3V~1.164V
• 对于TTL端口，可以兼容5V，在手册上这种IO标注FT字样，如下图：

GPIO的输出电流：

对于单个IO，最大为25mA，这并不是意味着所以IO都可以同时输出25mA，STM32的总输出电流最大为150mA，因此各IO的输出电流之和不能超过150mA

GPIO基本结构

GPIO的基本结构图如下（以F1为例）：

上下拉电阻作用范围分析

可以看到，在输入驱动器这个框中有两个电阻，一个连接VDD、一个连接VSS，它们是芯片内部的上拉、下拉电阻。从摆放的位置可以看出，当IO为输入模式时，信号会流入输入驱动器，此时上下拉电阻有效（可以配置成上拉、下拉、浮空）；当IO为输出模式时，信号从输出驱动器流出，不经过上下拉电阻，因此输出模式下配置上下拉电阻不起作用。

上下拉电阻的阻值为30kΩ~50kΩ，电阻比较大，而VDD为3.3V，最终算得的电流很小，驱动能力弱，因此也称这两个电阻为弱的上下拉电阻。这里的弱指的是驱动能力弱。

信号输入过程分析

当IO处于输入状态时，信号从引脚流入输入驱动器，经过上下拉电阻后最终存入GPIO的IDR寄存器，CPU可以通过读取IDR寄存器来获取当前IO的电平值。

信号输出过程分析

当IO处于输出状态时，信号从输出驱动器流出，信号的来源为P-MOS和N-MOS。当P-MOS导通时，IO接入VDD，输出高电平；当N-MOS导通时，IO接入VSS，输出低电平。

保护二极管工作分析

保护二极管用于防止IO输入电压过低或过高而产生损坏。 当为CMOS时，VDD=3.3V，当为TTL时，VDD=5V。下面以CMOS进行分析：

可以看到，当外部接入5V，并且有限流电阻R时，上方二极管导通。二极管导通电压为0.3V，VDD=3.3V，因此VA=0.3+3.3=3.6V，即：二极管将VA钳位在3.6V，这符合CMOS的高电平检测范围，因此对芯片内部的电路进行了保护。

限流电阻R是必须存在的。若R过小或不存在，二极管导通后的电阻很小，VA依旧为3.6V，此时电流就非常的大，直接打穿二极管，造成器件损坏。

当外部接入-5V时，分析方法与接入+5V类似，最终二极管钳位-0.3V，符合CMOS的低电平检测范围。限流电阻R依旧不可缺少或阻值过小。

施密特触发器（肖特基触发器） 

施密特触发器的作用是实现整形电路，能够将非标准的方波整形成方波。整形结论如下：

• 当输入电压高于正向阈值电压，输出为高
• 当输入电压低于负向阈值电压，输出为低
• 当输入电压在正向、负向阈值之间，输出不改变。

下面假设正向阈值电压为2.7V，负向阈值电压为1.3V，分析整形过程，过程图如下：

• 在过程1，输入电压低于阈值1.3V，因此整形为低电平0V。
• 在过程2，输入电压处于两个阈值之间，因此整形的电平保持不变，依旧为低电平的0V。
• 在过程3，输入电压高于阈值2.7V，因此整形为高电平3.3V。
• 在过程4，输入电压处于两个阈值之间，因此整形的电平保持不变，依旧为高电平的3.3V。

P-MOS与N-MOS工作分析

对于P-MOS，需要满足Vgs<0时，MOS管导通。因为VS=VDD=3.3V，所以VG=0V时导通。

对于N-MOS，需要满足Vgs>0时，MOS管导通。因为VS=VSS=0V，所以VG=3.3V时导通。

GPIO的八种工作模式

GPIO的八种工作模式分为4个输入模式、4个输出模式。

输入模式

4个输入模式有：浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入

1、浮空输入

浮空输入时，上下拉电阻关闭、双MOS管关闭，肖特基触发器开启。信号流入输入驱动器，通过肖特基触发器整型之后将数据存入到数据数据寄存器IDR中，CPU读取IDR的值从而获取到IO的电平状态。

因为没有上下拉电阻，所以在空闲时(IO未接外设，为浮空)，IO状态是不确定的。即：有时是1有时是0。

2、上拉输入

上拉输入时，上拉电阻开启，下拉电阻关闭、双MOS管关闭，肖特基触发器开启。信号流入输入驱动器，通过肖特基触发器整型之后将数据存入到数据数据寄存器IDR中，CPU读取IDR的值从而获取到IO的电平状态。

因为有上拉电阻，所以在空闲时(IO未接外设，为浮空)，IO状态是高电平，同时这个高电平可以向外驱动一些设备，但这个驱动能力很弱。

3、下拉输入

下拉输入时，下拉电阻开启，上拉电阻关闭、双MOS管关闭，肖特基触发器开启。信号流入输入驱动器，通过肖特基触发器整型之后将数据存入到数据数据寄存器IDR中，CPU读取IDR的值从而获取到IO的电平状态。

因为有下拉电阻，所以在空闲时(IO未接外设，为浮空)，IO状态是低电平。

4、模拟输入

模拟输入时，上下拉电阻关闭、双MOS管关闭，肖特基触发器关闭。信号流入输入驱动器，通过模拟输入路线进入到片上外设ADC和DAC

输出模式 

4个输出模式有：开漏输出、推挽输出、开漏复用、推挽复用 

1、开漏输出

开漏输出时，上下拉电阻关闭，肖特基触发器开启，这代表开漏输出时，也可以读取IO状态，和浮空输入的效果一样。P-MOS始终不导通，N-MOS可被控制是否导通，这代表开漏输出不能控制输出高电平，可以控制输出低电平。

因为上述特性，当输出寄存器ODR写0时，IO输出低电平；ODR写1时，N、P都关闭，IO状态就是浮空输入，IO电平由外部决定。

2、开漏复用

开漏复用与开漏输出的区别在于，控制MOS的信号不由ODR控制，而由片上外设控制。

3、推挽输出

推挽输出时，上下拉电阻关闭，肖特基触发器开启，这代表推挽输出时，也可以读取IO状态，和浮空输入的效果一样。P-MOS、N-MOS可被控制是否导通，这代表推挽输出能控制输出高低电平。

因为上述特性，当输出寄存器ODR写0时，IO输出低电平；ODR写1时，IO输出高电平。这个高低电平都是强驱动，因为接入到外部的过程中没有经过限流电阻。

4、推挽复用

推挽复用与推挽输出的区别在于，控制MOS的信号不由ODR控制，而由片上外设控制。