GPIO输入输出模式原理(八种工作方式附电路图详解)

这几篇博文讲的不错，可参照着理解： STM32下拉输入模式与振动传感器的使用

“上拉电阻与下拉电阻”通俗解读

上、下拉电阻（定义、强弱上拉、常见作用、吸电流、拉电流、灌电流）

个人总结：

STM32F1xx官方资料： 《STM32中文参考手册V10》-第8章通用和复用功能IO(GPIO和AFIO ) 芯片数据手册（datasheet)

GPIO是通用输入/输出端口的简称，是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外，还可以复用位外设功能引脚（比如串口），这部分在【STM32】STM32端口复用和重映射（AFIO辅助功能时钟） 中有详细的介绍。

本博板子STM32F103ZET6共有7组IO口，每组16个，共16×7=112个，分别为： GPIOA——>PA0、PA1、PA2…PA15 GPIOB——>PB0、PB1、PB2…PB15 . . . GPIOG——>PG0、PG1、PG2、…PG15

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。

这边的电路图稍微提一下：

这里需要注意的是，在查看《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。

GPIO支持4种输入模式（浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入）和4种输出模式（开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出）。同时，GPIO还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。

每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字被访问。

下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式：

默认情况下输入引脚数据为1，高电平。

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平保持在高电平（自己理解：上拉电阻连接电压）；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也是低电平（自己理解：上拉电阻上的电压和端口导通）。

施密特触发器：施密特就是为了防止在某一个临界电平的情况出现各种情况的抖动出现，为了稳定我们的输出而设计的。 施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。

默认情况下输入引脚为0，低电平。

下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也是高电平。

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O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（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

通常用于IIC、USART。

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等。模拟信号一般：3.3v 5v 9v。

可以输出0和1，适用于电平不匹配场合，要得到高电平需要上拉电阻才行。

开漏输出模式下（上拉电阻+N-MOS管），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管处于关闭状态，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管处于开启状态，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。

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

片内外设功能：TX1，MOSI，MISO，SCK，SS

可以输出高低电平0和1，适用于双向IO使用。

推挽输出模式下（P-MOS管+N-MOS管），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P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：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，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

片内外设功能IIC的SCL、SDL

一般用于ADC模拟输入

可用于按键KEY实验、发送接收信号RX、TX、IIC、USART等，不过这些实验可以不用浮空输入，如KEY用到上拉和下拉

IO内部上拉电阻、下拉电组输入，使情况而定，比如刚刚说的key按键实验，原理图如下： 可以看到KEY_UP按下后，IO口应该是3V3电平输入，未按下时为悬空状态，而悬空状态IO输入是未知的，所以为了防止程序跑飞，采用下拉输入，在悬空状态下，使IO输入下拉到低电平。这样，在悬空状态下，IO检测到的是低电平，不会去执行key_up按下后的程序。

KEY0~2按下后，IO口是低电平输入。按下时为悬空状态，而悬空状态IO输入是未知的，所以为了防止程序跑飞，采用上拉输入，在悬空状态下，使IO输入上拉到高电平。这样，在悬空状态下，IO检测到的是高电平，不会去执行KEY0 ~2按下后的程序。

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。该模式适用于电平不匹配场合、适合做电流型的驱动，吸收电流能力比较强。

可以输出高、低电平。导通损耗小、效率高。既提高电路的负载能力，又提高开关速度。广泛各种实验，比如接下来要总结的LED。

当GPIO为复用IO时的开漏输出模式，一般用于外设功能，如TX1

当GPIO为复用IO时的推挽输出模式，一般用于外设功能，如I2C

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。

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。

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。