STM32系统的GPIO原理与结构
一、GPIO接口原理
原理概述：GPIO是通用输入输出接口，是单片机的一些引脚，可以控制LED灯、蜂鸣器，也可用于按键输入、ADC采样等，从而实现STM32单片机与外部硬件之间的连接与数据交互。通用I/O(GPIO)是STM32微处理器非常重要的一种接口，具有使用灵活、可配置、多功能等优点。
STM32系列微处理器最多可以有7组GPIO端口，每组端口有16个I/O接口，每个接口包含下列四种寄存器：
二、GPIO的基本结构
2.1 四种输入模式
| 输入模式 | 应用特点 |
| 模拟输入 | 直接连接到内部ADC模块，可以实现对模拟信号的采样。 |
| 浮空输入 | 优点：输入阻抗高，MCU采集的状态是单纯的外部信号；缺点：完全浮空，状态不稳定。由于浮空阻抗大，一般由于IIC\USART等通信协议。 |
| 上拉输入 | I/O信号线连接到一个电阻到VCC上，当外部不接信号的时候，管脚默认为高电平。当输入信号比较弱时，容易受到干扰不稳定，选择上拉。 |
| 下拉输入 | I/O信号线连接到一个电阻到地上，当外部不接信号的时候，管脚默认为低电平。 |
2.2 四种输出模式
| 输出模式 | 应用特点 |
| 开漏输出 | 优点：可实现电平转换，输出电平取决于上拉电阻电源；缺点：高电平驱动能力差，取决于外部上拉电阻。 |
| 推挽输出 | 输出高低电平与电源电压j基本没有压差，可以提供较强的高电平与低电平驱动能力。 |
| 复用开漏 | 片上外设功能，比如IIC的SDL、SCL引脚等。 |
| 复用推挽 | 片上外设功能，比如SPI的SCK、MISO、MOSI引脚，串口等。 |
2.3 GPIO内部结构原理
GPIO每个I/O口都有上拉和下拉二极管，当外部电压过高时，上拉二极管导通，从而起到保护端口的作用；反之同理。
1. 输入模式
GPIO支持4种输入模式：浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入，所有模式有寄存器CNFy[1:0]控制，该寄存器和控制着对应开关。
（1）模拟输入
打开输入通道上拉和下拉开关，施密特触发器关闭，信号从模拟通道输入到内部AD采样电路。
（2）浮空输入
打开输入通道上拉和下拉开关，模拟通道关闭，施密特触发器能把输入畸形信号转换成标准的方波输入高低电平。浮空输入模式下，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。
（3）上拉输入
上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。默认情况下，上拉电阻连接VDD，无信号输入时，IDR读入高电平。
（4）下拉输入
下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。无信号输入时，IDR读入低电平。
2. 输出模式
4种输出模式：开漏输出、复用开漏输出、推挽输出、复用推挽输出。输出控制电路和MOS驱动关都有相应速度，因此，输出模式有10Hz，2MHz，50MHz三种频率可选择。
（1）开漏输出
如图，输出端口上拉P-MOS管截止，下拉N-MOS管受数据的控制。当ODR寄存器的数据为0时，下拉N-MOS管导通，输出低电平；当ODR寄存器输出数据为1时，下拉N-MOS管截止，端口出现浮空模式，因此，需要外接上拉电阻。优点是：可以实现线与功能，如IIC通信。
（2）复用开漏输出
复用开漏输出模式与开漏输出类似。输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。
（3）推挽输出
上拉P-MOS管和下拉N-MOS管交替工作。当ODR寄存器输出为0时，下拉N-MOS管导通，P-MOS管截止，输出0；当ODR寄存器输出为1时，下拉N-MOS管截止，P-MOS管导通，输出1。这样即提高电路的负载能力，又提高开关速度，且导通损耗小，效率高。
（4）复用推挽输出
复用推挽输出模式与推挽输出类似。输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。
三、GPIO库函数
| 函数名 | 描述 |
| GPIO_DeInit | 将外设GPIO寄存器重设为缺省值 |
| GPIO_AFIODeInit | 将复用功能（重映射事件控制和EXTI设置）重设为缺省值 |
| GPIO_Init | 根据GPIO_StructInit中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器 |
| GPIO_StructInit | 把GPIO_StructInit中的每一个参数按缺省值填入 |
| GPIO_ReadInputDataBit | 读取指定端口管脚的输入 |
| GPIO_ReadInputData | 读取指定的GPIO端口输入 |
| GPIO_ReadOutputDataBit | 读取指定端口管脚的输出 |
| GPIO_ReadOutputData | 读取指定的GPIO端口输出 |
| GPIO_SetBits | 设置指定的数据端口位 |
| GPIO_ResetBits | 清除指定的数据端口位 |
| GPIO_WriteBit | 设置或清除指定的数据端口位 |
| GPIO_Write | 向指定的GPIO数据端口写入数据 |
| GPIO_PinLockConfig | 锁定GPIO管脚设置寄存器 |
| GPIO_EventOutputConfig | 选择GPIO管脚用作事件输出 |
| GPIO_EventOutputCmd | 使能或使能事件输出 |
| GPIO_PinRemapConfig | 改变指定管脚的映射 |
| GPIO_EXTILineConfig | 选择GPIO管脚用作外部中断线路 |
（1）GPIO_SetBits（）（与 GPIO_ResetBits函数相同）
功能描述：设置指定的数据端口位；
函数原形：GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
输入参数1：GPIOx可以是A、B、C、D或E，该参数用来选择GPIO外设；
输入参数2：GPIO_Pin，待设定的端口位，该参数可以取GPIO_Pin_x（x可以是0~15）的任意组合；
例如：把GPIOA端口的第1和第5引脚置1
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | PIO_Pin_5); //置 1
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | PIO_Pin_5); //清 0
（2）根据GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器的函数GPIO_Init（）；
函数原形：GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
输入参数1：GPIOx可以是A、B、C、D或E，该参数用来选择GPIO外设；
输入参数2：GPIO_InitStruc，指向结构体GPIO_InitTypeDef的指针，包含了外设GPIO的配置信息，GPIO_InitTypeDef 定义于文件"stm32f10x_gpio.h"中；
typedef struct
{
uint16_t GPIO_Pin; /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.
This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */
GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; /*!< Specifies the speed for the selected pins.
This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */
GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.
This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */
}GPIO_InitTypeDef;GPIO_Pin：该参数选择待设置的GPIO管脚，使用操作符" | "可以一次选中多个管脚，该参数有：
- GPIO_Pin_0：选中管脚0；
- GPIO_Pin_All：选中所有管脚；
- GPIO_Pin_None：无管脚被选中；
GPIO_Speed：用以设置选中管脚的频率，取值有：
- GPIO_Speed_10MHz：最高输出频率10MHz；
- GPIO_Speed_2MHz：最高输出频率2MHz；
- GPIO_Speed_50MHz：最高输出频率50MHz；
GPIO_Mode：用以设置选中管脚的工作状态，取值有：
- GPIO_Mode_AIN ：模拟输入
- GPIO_Mode_IN_FLOATING ：浮空输入
- GPIO_Mode_IPD ：下拉输入
- GPIO_Mode_IPU ：上拉输入
- GPIO_Mode_Out_OD ：开漏输出
- GPIO_Mode_Out_PP ：推挽输出
- GPIO_Mode_AF_OD ：复用开漏输出
- GPIO_Mode_AF_PP ：复用推挽输出
例如，配置GPIOB为推挽输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 定义结构体
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; // 管脚5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出频率为50MHz
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 把参数写入寄存器原文地址：https://blog.csdn.net/m0_74460387/article/details/143661540
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