stm32学习之路——八种GPIO口工作模式
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一、GPIO基本功能
- 输出功能：STM32的GPIO口可以控制引脚输出高电平或低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等。
- 输入功能：GPIO口可以读取引脚的高低电平或电压，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。
- 复用功能：GPIO口还可以作为STM32其他片上外设的功能引脚，实现更复杂的通信和控制功能。
二、GPIO工作模式
STM32的GPIO共有8种工作模式，分为4种输入模式和4种输出模式：
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输入模式
- 浮空输入：引脚既不接高电平也不接低电平，电平状态由外部输入决定。适用于电平不稳定的输入信号，如按键输入。
- 上拉输入：引脚内部通过一个上拉电阻与VDD相连，无信号输入时默认电平为高电平。适用于需要稳定高电平输入的场合。
- 下拉输入：引脚内部通过一个下拉电阻与GND相连，无信号输入时默认电平为低电平。适用于需要稳定低电平输入的场合。
- 模拟输入：引脚直接输入模拟信号，不进行数字化处理。适用于ADC采集电压等需要原始模拟信号的场合。
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输出模式
- 推挽输出：可以输出高电平或低电平，连接数字器件。推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总是在一个三极管导通时另一个截止。
- 开漏输出：只能输出低电平，高电平时引脚为高阻态，需要外部上拉电阻才能输出高电平。适用于I2C等需要“线与”功能的总线电路。
- 推挽复用输出：GPIO口被复用为其他外设的输出引脚，工作于推挽输出模式。
- 开漏复用输出：GPIO口被复用为其他外设的输出引脚，工作于开漏输出模式。
三、GPIO硬件结构
- 保护二极管：STM32的GPIO引脚内置两个保护二极管，用于防止引脚外部过高或过低的电压输入损坏芯片。
- 施密特触发器：用于对输入信号进行整形，消除脉冲噪声的影响。
- 上拉/下拉电阻：可通过配置寄存器启用或禁用，以控制引脚的默认电平状态。
- 输出驱动器：由P-MOS和N-MOS管组成，根据输出模式控制引脚的电平状态。
四、GPIO寄存器
STM32的每组GPIO都包含多个寄存器，用于配置和控制GPIO口的工作状态：
- 端口配置低/高寄存器（GPIOx_CRL/GPIOx_CRH）：用于配置GPIO引脚的工作模式（输入、输出、复用、模拟等）和端口输出速度。
- 端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）：只读寄存器，用于读取GPIO引脚当前的输入电平状态。
- 端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）：用于设置GPIO引脚当前的输出电平状态。
- 端口位设置/清除寄存器（GPIOx_BSRR）：可以直接置位或复位指定的GPIO引脚，而不影响其他引脚的状态。
- 端口位清除寄存器（GPIOx_BRR）：用于清除指定的GPIO引脚的状态。
- 端口配置锁定寄存器（GPIOx_LCKR）：用于锁定GPIO端口的配置，防止被意外修改。
五、GPIO库函数配置
STM32的HAL库或标准外设库提供了丰富的GPIO库函数，方便用户进行GPIO口的配置和控制。以下是一些常用的GPIO库函数：
- 初始化函数（GPIO_Init）：用于初始化一个或多个GPIO口的工作模式和速度。
- 设置输出电平函数（GPIO_WriteBit/GPIO_Write）：用于设置GPIO引脚的输出电平。
- 读取输入电平函数（GPIO_ReadInputDataBit/GPIO_ReadInputData）：用于读取GPIO引脚的输入电平状态。
- 翻转引脚电平函数（GPIO_ToggleBits）：用于翻转指定GPIO引脚的电平状态。
六、GPIO应用实例
GPIO口在STM32的应用中非常广泛，以下是一些常见的应用实例：
- 控制LED灯的亮灭：将GPIO口配置为推挽输出模式，通过控制GPIO引脚的电平状态来控制LED灯的亮灭。
- 读取按键输入：将GPIO口配置为输入模式（如上拉输入或下拉输入），通过读取GPIO引脚的电平状态来检测按键是否被按下。
- I2C通信：将GPIO口配置为开漏输出模式，并复用为I2C总线的SCL和SDA引脚，实现与其他I2C设备的通信。
- ADC采集电压：将GPIO口配置为模拟输入模式，连接外部模拟信号源，通过ADC模块采集电压值。
七、开漏输出细说
什么是开漏输出？
- 只能输出低电平：
- 这意味着，当这个输出想要表示“0”或者低电平时，它可以直接做到，没有问题。
- 高电平时引脚为高阻态：
- 但是，当它想要表示“1”或者高电平时，它并不会像普通的输出那样直接输出高电平。相反，它会进入一个叫做“高阻态”的状态。
- “高阻态”可以想象成这个输出“断开”了，既不输出高电平，也不输出低电平，而是像一个“悬浮”的状态。
- 需要外部上拉电阻才能输出高电平：
- 由于开漏输出在高电平时不能自己输出高电平，所以我们需要一个外部的上拉电阻来帮忙。
- 上拉电阻会连接到电源（通常是Vcc或VDD），这样当输出进入高阻态时，通过上拉电阻，这个引脚就会被“拉”到高电平。
为什么需要开漏输出？
- 线与功能：
- 开漏输出的一个主要优点是它允许多个设备共享同一根线（也就是“线与”功能）。
- 在I2C等总线电路中，可能会有多个设备需要同时控制同一根数据线。如果每个设备都直接输出高电平或低电平，那么它们之间可能会产生冲突。
- 但是，由于开漏输出在高电平时是“悬浮”的，所以只有当所有设备都想要输出低电平时，这根线才会真正变成低电平。如果有一个设备想要输出高电平，而其他设备都保持高阻态，那么通过上拉电阻，这根线就会被拉到高电平，而不会产生冲突。
总结
所以，开漏输出就是一种特殊的输出方式，它只能直接输出低电平，而在需要输出高电平时则进入高阻态，并依赖外部的上拉电阻来“拉”到高电平。这种方式特别适用于需要多个设备共享同一根线（即“线与”功能）的场合，比如I2C总线电路。
八、好奇问题解决
对于开漏输出（Open-drain output）来说，其特性是只能主动地将输出引脚拉低（即输出低电平），而不能直接将其拉高至电源电压（即不能直接输出高电平）。当开漏输出端口被编程为置1（高电平）时，输出引脚实际上会进入高阻态，也就是说，它不会主动地向外部电路提供电流或电压，而是相当于一个断开的开关。
现在，我们来看看当你对上拉电阻连接的开漏输出端口进行编程时，会发生什么：
- 置0（输出低电平）：
- 当你通过编程将开漏输出端口置0时，内部的晶体管（通常是N型MOSFET或NPN型双极型晶体管）会被导通，从而将输出引脚拉低到地电位（GND）。
- 在这种情况下，无论外部上拉电阻的阻值是多少，输出引脚都会被可靠地拉低，因为内部的晶体管提供了一个低阻抗的通路到地。
- 置1（输出高电平，但实际上是高阻态）：
- 当你通过编程将开漏输出端口置1时，内部的晶体管会被关断，输出引脚进入高阻态。
- 此时，输出引脚上的电平将由外部电路决定。如果外部电路中有上拉电阻连接到电源电压（VCC），那么输出引脚会被上拉电阻拉到高电平（接近VCC）。
- 如果没有外部上拉电阻或者上拉电阻的阻值非常大，那么输出引脚可能会漂浮在一个不确定的电平上，容易受到外部噪声或干扰的影响。
在开漏输出的应用中，特别是像I2C这样的总线电路中，上拉电阻是必需的。因为I2C总线允许多个设备共享同一对数据线（SDA和SCL），而这些设备可能需要同时向总线发送信号。由于开漏输出只能拉低电平而不能拉高电平，所以使用上拉电阻可以确保当没有设备拉低总线时，总线能够保持在高电平状态。这样，即使多个设备同时尝试发送信号，也不会导致总线上的电平冲突或不确定状态。
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