GPIO的工作原理以及8种工作模式

只看该作者 · 2023-11-13 17:27

本帖最后由 jf101 于 2023-11-13 17:36 编辑

一、GPIO 是什么？
GPIO，全称为General Purpose Input Output Ports（通用输入输出端口），也就是通用IO口。
GPIO是控制或者采集外部器件的信息的外设，可以由软件程序控制，用于输出或者输入高低电平。
GPIO的使用非常广泛。可以与硬件进行数据交互（如UART），控制硬件工作（如LED、蜂鸣器等），读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。
GPIO按组分配，每组16个I/O口，组数视芯片而定。
以STM32F103为例：
① 一共有4组IO，PA~PD。

二、GPIO 的 8 种工作模式
8种工作模式，分为4种输入模式和4种输出模式。
1. 浮空输入模式（GPIO_Mode_IN_FLOATING）
浮空输入模式下，上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器为开启状态，I/O引脚的输出功能被禁止。
该模式下，外部的电平信号通过①（I/O引脚）进入MCU，先经过②（施密特触发器）的整形后，再进入③（输入数据寄存器），最后MCU可以在④（输入数据寄存器的另一端）随时读取I/O引脚的电平。
即，整形后的I/O引脚的电平信号直接进入输入数据寄存器，MCU直接读取I/O引脚的电平。
如果I/O引脚无输入时，MCU读取到的电平状态是不确定的。所以引脚不建议悬空，易受干扰。
如果I/O引脚输入高电平时，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入低电平时，MCU读到低电平0。
总结，浮空输入模式：
I/O引脚输入什么电平信号，MCU就读取到什么电平信号；
无信号输入（默认）时，MCU读取到的电平信号是不确定的。
浮空输入模式，可以用于KEY识别，RX1等。

2. 上拉输入模式（GPIO_Mode_IPU）
上拉输入模式下，上拉电阻导通，施密特触发器处于开启状态，I/O引脚的输出功能被禁止。
GPIO的内部上拉电阻的阻值较大，所以通过内部上拉输出的电流是很弱的，即“弱电流”。
如果需要大电流用作电流型驱动输出，还是要用外部上拉电阻。
上拉输入模式与浮空输入模式不同之处，是在①（I/O引脚）和②（施密特触发器）之间接入了一个上拉电阻，将电位拉高，比如拉到VCC。
如果I/O引脚无输入时，I/O引脚处相当于断开，上拉电阻的电流直接流向④，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入高电平时，I/O引脚的电压等于VDD的电压，电流还是流向④，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入低电平时，I/O引脚处相当于接地，上拉电阻的电流直接流向I/O引脚，MCU读到低电平0。
总结，上拉输入模式：
无信号输入（默认）或输入高电平时，MCU都是读取到高电平1；
输入低电平时，MCU读取到低电平0。
上拉输入模式，可以用于按键检测。

3. 下拉输入模式（GPIO_Mode_IPD）
下拉输入模式下，下拉电阻导通，施密特触发器处于开启状态，I/O引脚的输出功能被禁止。
下拉输入模式与浮空输入模式不同之处，是在①（I/O引脚）和②（施密特触发器）之间接入了一个下拉电阻，将电位拉低，比如拉到GND。
如果I/O引脚无输入时，I/O引脚处相当于断开，I/O引脚的电压等于VSS的电压，MCU读取到低电平0。
如果I/O引脚输入高电平时，由于下拉电阻阻值比通道④的阻值大，所以电流流向④，MCU读取到高电平1。
如果I/O引脚输入低电平时，I/O引脚处相当于接地，I/O引脚的电压等于VSS的电压，MCU读到低电平0。
总结，下拉输入模式：
无信号输入（默认）或输入低电平时，MCU都是读取到低电平0；
输入高电平时，MCU读取到高电平1。
下拉输入模式，和上拉输入模式相似，可以用于按键检测。

4. 模拟输入模式（GPIO_Mode_AIN）
模拟模式下，上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器为关闭状态，输出部分的双MOS管也断开。
模拟输入模式下，外部的电平信号通过①（I/O引脚的模拟输入通道）进入MCU，MCU可以直接在③（模拟输出口）随时读取I/O引脚的电平。
由于施密特触发器断开，所以电信号也无法进入输入数据寄存器，所以MCU无法在“输入数据寄存器”中读取到有效的数据。
总结，模拟输入模式：
输入的电信号为模拟电压信号，而不是数字电平信号。
模拟输入的模拟电压信号，直接送到片上外设，一般是ADC。
除了 ADC 和 DAC 要将 I/O 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。
模拟输入模式，可以用于ADC采集或DAC输出，或者低功耗下省电。

只看该作者 · 2023-11-13 17:30

5. 开漏输出模式（GPIO_Mode_Out_OD）
开漏输出模式下，P-MOS管一直处于断开状态。
开漏输出模式下，MCU通过左边的①（位设置/清除寄存器）或（输出数据寄存器）写入数据后，该数据位将通过②（输出控制电路）传送到④（I/O引脚）。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态。
当MCU输出低电平0时，经过“非门”后，转换为高电平1，N-MOS管导通，使I/O引脚输出低电平。
当MCU输出高电平1时，经过“非门”后，转换为低电平0，N-MOS管断开，I/O引脚处于悬空状态，此时I/O引脚输出的电平高低是由I/O引脚外部的上拉或者下拉决定。
开漏输出，输出端相当于三极管的集电极。要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对较强，一般20mA以内。

6. 开漏复用输出模式（GPIO_Mode_AF_OD）
GPIO可以是通用的IO口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是GPIO的复用功能。
GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器无效，④（I/O引脚）输出的高低电平由①（其他外设的输出）决定。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态，同时外设可以读取IO引脚的信息。
开漏复用输出模式与开漏输出模式的配置基本相同，除了输出信号的来源不同，其他与开漏输出模式的功能相同。
即，②（输出控制电路）的输入，开漏输出模式是由输出数据寄存器输出，开漏复用输出模式是由其他外设输出。

7. 推挽输出模式（GPIO_Mode_Out_PP）
推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平VSS或者高电平VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式P-MOS管和N-MOS管都用上，可以把“输出控制”简单地等效为一个非门。
当MCU输出低电平0时，经过“非门”后，转换为高电平1，P-MOS管截止，N-MOS管导通，使I/O引脚下拉到VSS，即I/O引脚输出低电平。
当MCU输出高电平1时，经过“非门”后，转换为低电平0，P-MOS管导通，N-MOS管截止，使I/O引脚上拉到VDD，即I/O引脚输出高电平。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态。
总结，推挽输出模式下，P-MOS管和N-MOS管同一时间只能有一个MOS管是导通的。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大的提高。
由于推挽输出模式输出高电平时，是直接连接VDD，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达25mA。该模式也是最常用的输出模式。

8. 推挽复用输出模式（GPIO_Mode_AF_PP）
GPIO可以是通用的IO口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是GPIO的复用功能。
GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器无效，④（I/O引脚）输出的高低电平由①（其他外设的输出）决定。
同时，输入功能可用，⑤（施密特触发器）处于开启状态，可以通过⑥（输入数据寄存器）可读取④（I/O引脚）的实际电平状态，同时外设可以读取IO引脚的信息。
推挽复用输出模式与推挽输出模式的配置基本相同，除了输出信号的来源不同，其他与推挽输出模式的功能相同。
即，②（输出控制电路）的输入，推挽输出模式是由输出数据寄存器输出，推挽复用输出模式是由其他外设输出。

只看该作者 · 2023-12-28 10:47

其实是不是所有的都跟GPIO有关系