STM32——GPIO(三)
一、GPIO简介
•GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口
•可配置为8种输入输出模式
•引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V
•输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等
•输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等
二、GPIO的基本结构
1、APB2 高速总线
最左边紫色的双向箭头，是 CPU 和 GPIO 外设之间的 “数据高速公路”。所有对 GPIO 的配置指令、数据读写，都要通过这条总线来传输。因为 APB2 是高速总线，所以 GPIO 这类需要快速响应的外设挂载在APB2 上。
2、GPIO 外设模块
中间的橙色块代表 GPIOA、GPIOB 这类独立的外设单元。每个模块都是一个完整的功能体，彼此独立工作，互不干扰。因此可以分别配置 PA0 和 PB0 。
3、寄存器与硬件驱动器
每个 GPIO 模块内部，分成了 “寄存器” 和 “硬件驱动器” 两个核心部分：
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寄存器：是软件和硬件的 “翻译官”，我们通过修改寄存器的值来告诉硬件要做什么。比如配置引脚是输入还是输出，要输出高电平还是低电平。
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硬件驱动器：负责把寄存器的数字指令，转化为引脚可以识别的电信号。它还内置了上拉 / 下拉电阻、开漏 / 推挽输出等硬件电路，决定了引脚的电气特性。
4、GPIO 引脚
最右侧的 PA0~PA15、PB0~PB15，就是芯片与外部世界连接的物理接口。我们最终就是通过这些引脚来控制 LED、读取按键状态，或者和其他设备通信的。
三、GPIO位结构
1、输入通路
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模拟输入：信号直接进入片上外设（如 ADC），不经过数字触发电路，用于采集连续的模拟电压。
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复用功能输入：信号会先经过 施密特触发器（TTL 肖特基触发器）进行电平整形，再传输到对应的片上外设（如 USART、SPI），用于接收数字通信信号。
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通用输入：信号经触发器整形后存入输入数据寄存器，供 CPU 读取引脚的高低电平状态。
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上拉 / 下拉电阻：通过开关可选择将引脚接 VDD（上拉）或 VSS（下拉），用于在引脚悬空时提供默认电平，避免信号不稳定。
2、输出通路
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输出控制与驱动器：核心由 P-MOS 和 N-MOS 管组成，可配置为三种模式：
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推挽输出：P-MOS 和 N-MOS 协同工作，输出高电平时 P-MOS 导通、N-MOS 截止；输出低电平时则相反，驱动能力强，适合直接驱动 LED 等负载。
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开漏输出：仅 N-MOS 工作，输出低电平时导通，输出高电平时呈高阻态，需要外部上拉电阻才能输出高电平，常用于 I²C 等需要线与逻辑的总线。
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关闭状态：两个 MOS 管均截止，引脚处于高阻态，此时引脚仅可作为输入使用。
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输出数据寄存器：存储 CPU 写入的输出电平指令，通过输出控制模块驱动 MOS 管动作。
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复用功能输出：片上外设（如定时器 PWM、串口发送）的信号可直接通过输出驱动器从引脚送出，无需 CPU 干预。
3、 保护机制
引脚内置了两个反向并联的保护二极管：
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当引脚电压高于 VDD时，上管导通，将多余电流导入 VDD。
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当引脚电压低于 VSS时，下管导通，将多余电流导入 VSS。这可以防止静电、浪涌等异常电压损坏芯片内部电路。
4、寄存器交互
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输出数据寄存器：CPU 通过 “写入” 或 “位设置 / 清除寄存器” 来更新输出电平。
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输入数据寄存器：CPU 通过 “读出” 操作获取当前引脚的输入状态。
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读 / 写接口：实现 CPU 对寄存器的访问，是软件控制硬件的核心通道。
四、GPIO的输入模式
1、浮空输入
连接 VDD的上拉开关和连接 VSS的下拉开关均断开。引脚电平完全由外部信号决定，悬空时电平会受干扰而不稳定，仅适合连接确定的外部电平信号。
2、上拉输入
上拉开关闭合，下拉开关断开。内部上拉电阻将引脚默认电平拉至 VDD，当外部无输入时，引脚为高电平；当外部输入低电平时，引脚电平被拉低。
3、下拉输入
下拉开关闭合，上拉开关断开。内部下拉电阻将引脚默认电平拉至 VSS，当外部无输入时，引脚为低电平；当外部输入高电平时，引脚电平被拉高。
4、模拟输入
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数字输入通路完全关闭：TTL 肖特基触发器处于 “关” 的状态，数字输入电路与引脚完全断开，避免数字电路的噪声干扰模拟信号。
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信号直通片上外设：引脚的模拟信号不经过任何数字处理，直接通过 “模拟输入” 通路送入片上外设（如 ADC），最大程度保留了信号的原始波形。
图中的 VDD_FT 是针对 5V 容忍 I/O 引脚的特殊供电，它允许引脚直接输入 5V 电平而不损坏芯片，这部分 I/O 的上拉电阻由该电源供电，以保证 5V 信号的正确识别。
输出驱动器部分处于断开状态，确保输入模式下输出电路不会对输入信号产生干扰。
五、GPIO的输出模式
1、推挽输出
输出高电平时，P-MOS 导通、N-MOS 截止，引脚直接连接 VDD；输出低电平时，N-MOS 导通、P-MOS 截止，引脚直接连接 VSS。这种模式下驱动能力强，可直接驱动 LED、继电器等负载。
2、开漏输出
仅 N-MOS 管工作，输出低电平时 N-MOS 导通，引脚连接 VSS；输出高电平时两个管子均截止，引脚处于高阻态，需依赖外部上拉电阻才能输出高电平。
3、复用开漏输出
输出控制模块仅驱动 N-MOS 管，P-MOS 管始终处于截止状态。当外设输出低电平信号时，N-MOS 管导通，引脚被拉至 VSS（地）。当外设输出高电平信号时，N-MOS 管截止，引脚处于高阻态，必须依赖外部上拉电阻才能将电平拉至 VDD。
4、复用推挽输出
输出控制模块同时驱动 P-MOS 和 N-MOS 管，两者互补导通。当外设输出高电平信号时，P-MOS 管导通、N-MOS 管截止，引脚被拉至 VDD。当外设输出低电平信号时，N-MOS 管导通、P-MOS 管截止，引脚被拉至 VSS。
TTL 肖特基触发器处于 “开” 状态，保证输入信号的正确整形和传输。
