stm32引脚功能

一、输入模式

1. 模拟输入模式

   • 功能： 将引脚直接连接到片上的ADC（模数转换器）或DAC（数模转换器，如果支持）模块。

   • 特点：

     • 禁止施密特触发器（数字输入缓冲器被关闭），避免引入数字噪声。

     • 禁止上拉和下拉电阻。

     • 引脚状态不能被CPU读取（读取IDR寄存器为0）。

     • 引脚电平由外部模拟信号直接决定。

   • 典型应用： 连接模拟传感器（温度、光照、电压、电流等）到ADC进行采样。

2. 浮空输入模式

   • 功能： 引脚作为纯数字输入。

   • 特点：

     • 施密特触发器开启。

     • 无内部上拉或下拉电阻连接。

     • 引脚状态完全由外部电路决定（高电平、低电平或悬空）。

     • CPU可以读取IDR寄存器获取引脚当前电平状态。

   • 注意事项： 如果外部信号源是高阻抗（如开路集电极/漏极输出）或引脚可能悬空，强烈建议在外部添加确定电平的上拉或下拉电阻，否则引脚电平可能漂移不定，导致逻辑错误或额外功耗。

   • 典型应用： 连接有确定驱动能力（推挽输出）的数字信号源（如另一个MCU的GPIO），或者外部已接上拉/下拉电阻的情况。

3. 上拉输入模式

   • 功能： 引脚作为数字输入，内部上拉电阻被使能。

   • 特点：

     • 施密特触发器开启。

     • 内部上拉电阻（典型值约30kΩ - 50kΩ，具体查阅芯片数据手册）连接到VDD。

     • 当外部无驱动或驱动为高阻态时，引脚被内部电阻拉至高电平。

     • CPU可以读取IDR寄存器获取引脚当前电平状态（外部驱动优先于内部上拉）。

   • 典型应用： 连接按键（按键另一端接地），当按键未按下时，内部上拉确保输入为高电平；按下时被拉低。简化电路，无需外部上拉电阻。

4. 下拉输入模式

   • 功能： 引脚作为数字输入，内部下拉电阻被使能。

   • 特点：

     • 施密特触发器开启。

     • 内部下拉电阻（典型值约30kΩ - 50kΩ）连接到VSS/GND。

     • 当外部无驱动或驱动为高阻态时，引脚被内部电阻拉至低电平。

     • CPU可以读取IDR寄存器获取引脚当前电平状态（外部驱动优先于内部下拉）。

   • 典型应用： 连接按键（按键另一端接VDD），当按键未按下时，内部下拉确保输入为低电平；按下时被拉高。简化电路，无需外部下拉电阻。

二、输出模式

1. 开漏输出模式

   • 功能： 引脚作为数字输出。

   • 特点：

     • 输出驱动结构只包含一个连接到GND的N-MOSFET（开漏）。

     • 当CPU写入输出数据寄存器（ODR）为0时，N-MOSFET导通，引脚被强有力地拉低到GND。

     • 当CPU写入ODR为1时，N-MOSFET关断，引脚呈现高阻态。

     • 输出高电平的能力完全依赖外部上拉电阻连接到目标VOH电平（可以是VDD，也可以是不同的电压，如3.3V或5V系统）。

     • 施密特触发器输入是激活的（可同时读取引脚状态）。

     • 可以配置输出速度。

   • 优势：

     • 电平转换： 方便实现不同电压域逻辑的兼容（例如，STM32工作在3.3V，通过外部上拉到5V，即可与5V逻辑器件通信）。

     • 线与（Wire-AND）： 多个开漏输出可以直接连在一起，通过一个公共上拉电阻实现“与”逻辑（任一输出拉低，总线即低）。

   • 典型应用： I2C总线（SDA, SCL），需要电平转换的场合，需要“线与”逻辑的总线。

2. 推挽输出模式

   • 功能： 引脚作为数字输出。

   • 特点：

     • 输出驱动结构包含一个连接到VDD的P-MOSFET和一个连接到GND的N-MOSFET（推挽对）。

     • 当CPU写入ODR为1时，P-MOSFET导通，N-MOSFET关断，引脚被强有力地拉高到VDD。

     • 当CPU写入ODR为0时，P-MOSFET关断，N-MOSFET导通，引脚被强有力地拉低到GND。

     • 输出高低电平均有很强的驱动能力（电流吸收和输出能力，具体值看数据手册）。

     • 施密特触发器输入是激活的（可同时读取引脚状态）。

     • 可以配置输出速度（低速、中速、高速、超高速）。

   • 优势： 驱动能力强，高低电平切换速度快。

   • 典型应用： 驱动LED、继电器、MOSFET栅极，高速数字信号（如SPI、USART的TX），通用数字输出。最常用的输出模式。

三、复用功能模式

• 复用功能推挽 / 复用功能开漏

  • 功能： 将引脚的控制权交给某个片上外设（如USART, SPI, I2C, TIM, CAN, USB, ETH, SDIO等），而非CPU通过ODR寄存器直接控制。

  • 特点：

    • 输出方向：输出数据由外设模块产生，通过GPIO的复用功能输出通道送到引脚。输出结构配置为推挽或开漏（选择哪个取决于外设要求和应用场景，例如I2C必须用开漏）。

    • 输入方向：输入到外设模块的数据直接从引脚通过GPIO的复用功能输入通道读取。

    • GPIO模块的ODR寄存器、输入数据寄存器（IDR）通常不再直接控制或反映外设数据（读取IDR可能仍能看到电平，但写ODR无效）。

    • 需要正确配置AFR（复用功能寄存器）选择具体哪个外设连接到该引脚。

    • 输入/输出特性（上拉/下拉、速度）的配置仍然由GPIO模块的配置寄存器（如PUPDR, OSPEEDR）决定，并且非常重要！例如，I2C作为复用开漏输出时，通常需要使能上拉电阻（或外部上拉）。

  • 本质： 是GPIO引脚在输出模式（推挽或开漏） 或输入模式的基础上，将数据通路切换到了片上外设。

  • 典型应用： 所有使用片上外设需要特定引脚功能的场合。例如：

    • USART_TX -> 复用功能推挽输出

    • USART_RX -> 复用功能输入（通常是浮空或上拉，具体看连接）

    • I2C_SCL/SDA -> 复用功能开漏输出 (必须开漏！)

    • SPI_SCK/MOSI -> 复用功能推挽输出

    • SPI_MISO -> 复用功能输入

    • TIM_CHx (PWM输出) -> 复用功能推挽输出

四、重要补充与注意事项

1. 配置寄存器： 模式的选择通过GPIO端口配置寄存器（GPIOx_MODER）进行设置（2位模式字段）。具体模式（推挽/开漏、上拉/下拉/无）、速度、复用功能选择则由其他相关寄存器（GPIOx_OTYPER, GPIOx_OSPEEDR, GPIOx_PUPDR, GPIOx_AFRL, GPIOx_AFRH）配置。

2. 输出速度 (GPIOx_OSPEEDR): 在输出模式（通用或复用）下，需要配置输出驱动器的速度（翻转速率）。速度越高，边沿越陡峭（开关速度越快），但功耗和EMI噪声也越大。应根据外设需求和走线长度选择合适的速度（如低速GPIO控制LED可选低速，高速SPI通信需选高速或超高速）。

3. 初始化顺序： 通常建议先配置所需模式和其他参数（上拉/下拉、速度、复用功能），最后再使能外设时钟（RCC_AHBxENR）或外设本身（如果外设控制输出使能）。

4. 5V容忍（FT引脚）： 只有标有"FT"（Five-volt Tolerant）或类似标识的引脚，在配置为输入模式（浮空、上拉、下拉）或开漏输出模式（且外部上拉到≤5V）时，才能安全地承受5V电压输入。配置为推挽输出模式时绝对不可输出高于VDD的电压到引脚！非FT引脚只能承受不超过VDD + 0.3V (通常最大3.6V) 的电压。

5. 模拟输入模式特殊性： 在此模式下，数字输入缓冲器关闭，读取IDR为0，内部上下拉无效。务必确保外部信号在ADC允许的输入电压范围内。

6. 复位状态： 大多数GPIO引脚在复位后默认处于模拟输入模式（高阻态），以避免在系统稳定前产生意外电流或冲突。部分特殊引脚（如调试接口、BOOT引脚）可能有不同的复位状态。

7. 重映射/备用功能： 某些外设的信号可以映射到不同的引脚组上（通过AFR寄存器或专门的Remap寄存器）。这在引脚冲突或优化布局布线时非常有用。