STM32F3 GPIO的八種模式及工作原理
一、GPIO簡介
GPIO（英語：General-purpose input/output），通用型之輸入輸出的簡稱，簡單來說就是STM32可控制的引腳，STM32晶片的GPIO引腳與外部設備連接起來，從而實現與外部通訊、控制以及數據採集的功能。STM32晶片的GPIO被分成很多組，每組有16個引腳，所有的GPIO引腳都有基本的輸入輸出功能。
最基本的輸出功能是由STM32控制引腳輸出高、低電平，實現開關控制，如把GPIO引腳接入LED燈，那就可以控制LED燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極體，那就可以通過繼電器或三極體控制外部大功率電路的通斷。
最基本的輸入功能是檢測外部電平，如把GPIO引腳連接到按鍵，通過電平高低區分按鍵是否被按下。
二、GPIO的工作模式
- 4種輸入模式
- GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入
- GPIO_Mode_IPU 上拉輸入
- GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
- GPIO_Mode_AIN 模擬輸入
- 4種輸出模式
- GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出（帶上拉或者下拉）
- GPIO_Mode_AF_OD 復用開漏輸出（帶上拉或者下拉）
- GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出（帶上拉或者下拉）
- GPIO_Mode_AF_PP 復用推挽輸出（帶上拉或者下拉）
- 3種最大輸出速度
- 2MHZ
- 10MHZ
- 50MHZ
三、GPIO框圖剖析
我們所用到的每一個GPIO其內部結構都是這樣，分別對應著GPIO的八種模式 這裡我們簡單的介紹下：
- 保護二極體： IO引腳上下兩邊兩個二極體用於防止引腳外部過高、過低的電壓輸入，當引腳電壓高於VDD_FT時，上方的二極體導通，當引腳電壓低於VSS時，下方的二極體導通，防止不正常電壓引入晶片導致晶片燒毀
- 上拉、下拉電阻（輸入驅動器中）：控制引腳默認狀態的電壓，開啟上拉的時候引腳默認電壓為高電平，開啟下拉的時候引腳默認電壓為低電平
- TTL施密特觸發器（輸入驅動器中）：基本原理是當輸入電壓高於正向閾值電壓，輸出為高；當輸入電壓低於負向閾值電壓，輸出為低；IO口訊號經過觸發器後，模擬訊號轉化為0和1的數字訊號 也就是高低電平 並且是TTL電平協議 這也是為什麼STM32是TTL電平協議的原因
- P-MOS管和N-MOS管（輸出暫存器中）：訊號由P-MOS管和N-MOS管，依據兩個MOS管的工作方式，使得GPIO具有「推挽輸出」和「開漏輸出」的模式 P-MOS管高電平導通，低電平關閉，下方的N-MOS低電平導通，高電平關閉
注意： VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果沒有標註「FT」，就代表著只支援3.3V 。在晶片手冊中可以查看支援5V的引腳：
-
浮空輸入模式
注意：浮空輸入模式下，I/O的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無訊號輸入）的情況下，讀取該埠的電平是不確定的 -
上拉輸入模式
注意：上拉輸入模式下，IO口默認為高電平 -
下拉輸入模式
注意：下拉輸入模式下，IO口默認為低電平 -
模擬輸入模式
注意：模擬輸入模式下，訊號不經過施密特觸發器，直接直接進入ADC模組，所以CPU不能讀取輸入暫存器上的引腳狀態。除了ADC和DAC要將 IO 配置為模擬通道之外其他外設功能一律 要配置為用功能模式。 -
開漏輸出模式
注意：在開漏輸出模式時，只有N-MOS管工作，如果我們控制輸出為0，則P-MOS管關閉，N-MOS管導通，使輸出低電平，若控制輸出為1時，則P-MOS管和N-MOS管都關閉，輸出指令就不會起到作用而是由
I/O埠外部的上拉或者下拉決定，如果沒有上拉或者下拉 IO口就處於懸空狀態。 -
推挽輸出模式（帶上拉）
注意：在推挽輸出模式時，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果控制輸出為0，則P-MOS管關閉，N-MOS管導通，若控制輸出為1，則P-MOS管導通N-MOS管關閉。 -
復用開漏輸出
注意：復用開漏輸出下，GPIO復用為其他外設，輸出數據暫存器GPIOx_ODR無效； 輸出的高低電平的來源於其它外設， -
復用推挽輸出（帶上拉）
注意：復用推挽輸出下，GPIO復用為其他外設，輸出數據暫存器GPIOx_ODR無效； 輸出的高低電平的來源於其它外設，
輸出模式下施密特觸發器是打開的，所以mcu是可以讀取到I/O口的實際狀態。
-
開漏輸出和推挽輸出的區別：
推挽輸出：可以輸出強高低電平，連接數字器件，推挽結構一般是指兩個三極體分別受兩互補訊號的控制,總是在一個三極體導通的時候另一個截止。
開漏輸出：可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高，才能實現輸出高電平，適合用做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)。 -
F4系列與F1系列區別:
本質上的區別是F4系列採用了Cortex-M4內核 而F1系列採用Cortex-M3內核
F1系列(M3)IO口基本結構：
F4系列(M4)IO口基本結構：
四、 暫存器介紹
STM32 的每個 IO 埠都有 7 個暫存器來控制，他們分別是：配置模式的 2 個 32 位的埠配置暫存器 CRL 和 CRH；2 個 32 位的數據暫存器 IDR 和 ODR；1 個 32 位的置位/複位暫存器BSRR；一個 16 位的複位暫存器 BRR；1 個 32 位的鎖存暫存器 LCKR；這裡我們僅介紹常用的幾個暫存器，我們常用的 IO 埠暫存器只有 4 個：CRL、CRH、IDR、ODR。
- 配置模式CRL和CRH暫存器
從圖中可以看出配置GPIO的模式需要4位進行配置，分辨是兩位CNFy和兩位MODEy進行配置，因為每組GPIO都有16個引腳，而STM32是32位的，所以一個暫存器無法完成一組GPIO的配置，其中CRL配置 0 ~ 7 引腳，CRH配置 8 ~ 15 引腳。
- 比如我們要設置 PORTB 的 12 位為推挽輸出 ，5 位為上拉輸入。
//配置PB5為上拉輸入
GPIOB->CRH &= 0XFF0FFFFF; //清掉這5引腳位原來的設置，同時也不影響其他位的設置
GPIOB->CRH |= 0X00800000; // 配置PB5上拉輸入
GPIOB->ODR= 1<<5; //PB5 上拉
//配置PB12為推挽輸出
GPIOB->CRH &= 0XFFF0FFFF; //清掉這12引腳位原來的設置，同時也不影響其他位的設置
GPIOB->CRH |= 0X00030000; // 配置PB12推挽輸出
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埠輸入數據暫存器IDR
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埠輸出數據暫存器ODR
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埠位設置/清除暫存器BSRR
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埠位清除暫存器BRR
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埠配置鎖定暫存器LCKR
五、編寫程式
上面介紹了GPIO的8中工作模式以及GPIO的暫存器使用，那麼在控制GPIO之前需要配置GPIO的工作模式，這是STM32和51單片存在區別的地方。51單片的引腳功能是確定的，而STM32的引腳都是可以復用的，程式配置GPIO的方式有兩種，一種是通過庫文件的方法進行配置，另一種是通過暫存器進行配置，由於庫文件的配置方式比較簡單，網上也有很多文章講解，這裡我以暫存器為例進行學習。
注意：STM32的所用引腳都可以用於中斷
程式是基於之前創建的項目模板（暫存器版）中進行更改即可，沒創建過STM32項目的小夥伴瀏覽之前的STM32新建模板之庫文件和STM32新建模板之庫文件。
- 更改main.c文件為一下內容即可
#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"
/*------------------------------------------------------------
主函數
------------------------------------------------------------*/
int main()
{
RCC->APB2ENR|=0X0000001c;//先使能外設IO PORTa,b,c時鐘
RCC->APB2ENR |= 1 << 12;
GPIOB->CRH=0X00030000; //設置GPIOB的12引腳為推挽輸出
while (1)
{
delay_ms(100);
GPIOB->ODR = ~(1 << 12); //設置12引腳輸出0
delay_ms(100);
GPIOB->ODR |= 1 << 12; //設置12引腳輸出1
}
}
- 這是一個led閃爍的程式，編譯下載運行即可。
參考文獻
STM32F4 GPIO八種模式及工作原理詳解：//blog.csdn.net/as480133937/article/details/98063549
STM32-GPIO詳解：//blog.csdn.net/dnfestivi/article/details/104984813
《STM32中文參考手冊》
