stm32学习笔记之GPIO功能框图分析

　　GPIO 是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32 可控制的引脚，STM32 芯片的GPIO

引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32 芯片的GPIO被分成很多组，每组有16

个引脚，如型号为STM32F103VET6 型号的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC 至GPIOE 共5 组GPIO，芯片一共100

个引脚，其中GPIO就占了一大部分，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。

　　最基本的输出功能是由STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入到LED 灯，那就可以控制LED

灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把GPIO

引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

　　GPIO 框图剖析

　　通过GPIO 硬件结构框图，就可以从整体上深入了解GPIO 外设及它的各种应用模式。该图从最右端看起，最右端就是代表STM32 芯片引出的GPIO

引脚，其余部件都位于芯片内部。

　　基本结构分析

　　下面我们按图中的编号对GPIO端口的结构部件进行说明。

　　1. 保护二极管及上、下拉电阻

　　引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于VDD 时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS

时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着STM32

的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

　　2. P-MOS 管和N-MOS 管

　　GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS 和N-MOS

管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

　　所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS 导通，下方的N-MOS

关闭，对外输出高电平;而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P

管负责灌电流，N 管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0

伏，高电平为3.3伏，它是推挽输出模式时的等效电路。

　　而在开漏输出模式时，上方的P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为1

(它无法直接输出高电平)时，则P-MOS 管和N-MOS

管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0

伏。

　　推挽输出模式一般应用在输出电平为0 和3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32

的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

　　开漏输出一般应用在I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5

伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5 伏，并且把GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5 伏的电平。

　　3. 输出数据寄存器

　　前面提到的双MOS 管结构电路的输入信号， 是由GPIO“

输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO

引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

　　4. 复用功能输出

　　“复用功能输出”中的“复用”是指STM32 的其它片上外设对GPIO 引脚进行控制，此时GPIO

引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS

管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。

　　例如我们使用USART 串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART

串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

　　1 // GPIOB 16 个IO 全部输出 0XFF

　　2 GPIOB->ODR = 0XFF;

　　5. 输入数据寄存器

　　看GPIO 结构框图的上半部分，GPIO

引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1

的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

　　1 // 读取GPIOB 端口的16 位数据值2uint16_ttemp;3 temp = GPIOB->IDR;

　　6. 复用功能输入

　　与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到

　　STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。

　　同样，如我们使用USART 串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO 引脚配置成USART

串口复用功能，使USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

　　7. 模拟输入输出

　　当GPIO 引脚用于ADC 采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1

两种状态，所以ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO 引脚用于DAC

作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC 的模拟信号输出就不经过双MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。

　　GPIO 工作模式

　　总结一下，由GPIO的结构决定了GPIO可以配置成以下模式：

　　(在固件库中，GPIO总共有8 种细分的工作模式，大致归类为以下三类)

　　1. 输入模式(模拟/浮空/上拉/下拉)

　　在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O

状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC

采集。

　　2. 输出模式(推挽/开漏)

　　在输出模式中，推挽模式时双MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS

管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz10MHz50MHz 的选项。此处的输出速度即I/O

支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。

　　在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O 的实际状态。

　　3. 复用功能(推挽/开漏)

　　复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR

无效;输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

　　通过对GPIO 寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO

的工作模式，再强调一下，要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO

外设中，控制端口高低控制寄存器CRH和CRL 可以配置每个GPIO的工作模式和工作的速度，每4 个位控制一个IO，CRH 控制端口的高八位，CRL

控制端口的低8 位，具体的看CRH 和CRL 的寄存器描述。