STM32F4 GPIO输入输出模式

本文主要参看STM32F407ZGT6相关开发手册

图示为stm32f4系列单片机I/O示意图。

• 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_FT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。

• 上拉、下拉电阻：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平

• TTL施密特触发器：基本原理是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；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号，也就是高低电平并且是TTL电平协议 这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因

• P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式，P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭

• VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V，在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“I/O电平”一列 有FT即为支持5V

  stm32f4系列单片机7组IO。分别为GPIOA~GPIOG，每组IO有16个IO口，共有112个IO口 通常称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。

  stm32GPIO共有8钟输入输出模式，其中输入模式4种，输出模式4种。

1、4种输入模式

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

  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。MCU直接读取I/O口电平，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。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别。

（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入

  IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平；如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平。

（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入

  IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平；如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平。

（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

  当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作"模拟输入"功能，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空。当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的。除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，

2、4种输出模式

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）

  在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定 如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态。

并且此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。，I/O口的电平不一定是输出的电平

（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）

  GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效； 输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
  在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平， 外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平

此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。I/O口的电平一定是输出的电平

（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

  GPIO复用为其他外设(如 I2C)，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效； 输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态 除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：

• 可以输出强高低电平，连接数字器件
• 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.

开漏输出：

• 可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平，适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)；
• 在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平