STM32的GPIO结构图分析

mm58690 · 发表于 2018-10-16 14:51

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本帖最后由 mm58690 于 2018-10-16 14:53 编辑

1、STM32的GPIO结构图

GPIO共有8中设置模式：输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽式输出、推挽式复用功能，开漏复用功能，共4种输入，2种输入，2种复用功能。

2、模式说明

①浮空输入

图中施密特触发器是开启的，IO口的状态可以直接送到输入寄存器中，CPU可以直接读取输入寄存器；

在上图中，阴影的部分处于不工作状态，尤其是下半部分的输出电路，实际上是与端口处于隔离状态。

黄色的高亮部分显示了数据传输通道，外部的电平信号通过左边编号1的IO端口进入STM32，经过编号2的施密特触发器的整形送入编号3的输入数据寄存器，在输入数据寄存器的另一端编号4，CPU可以随时读出IO端口的电平状态。

②上拉输入

上图是STM32的GPIO带上拉输入模式的配置。与前面的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上部，接入了一个上拉电阻，根据STM32的数据手册，这个上拉电阻阻值介于30K~50K。

同样，CPU可以随时在输入数据寄存器的另一端，读出IO端口的电平状态。

③下拉输入

④模拟输入

施密特触发器是关闭的，信号直接到ADC输入；

STM32的模拟输入通道的配置则更加简单，信号从左边编号1的端口进入，从右边编号2的一端直接进入ADC模块。

这里我们看到所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器，均处于断开状态，因此输入数据寄存器将不能反映端口上的电平状态，也就是说，模拟输入配置下，CPU不能在输入数据寄存器上读到有效的数据。

⑤开漏输出模式

当CPU在编号1端通过“位设置/清楚寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后，该数据位通过编号2的输出控制电路传送到编号4的IO端口。

如果CPU写入的是逻辑1，则编号3的N-MOS管将处于关闭状态，此时IO端口的电平将由外部的上拉电阻决定，如果CPU写入的是逻辑0，则编号3的N-MOS管将处于开启状态，此时IO端口的电平被编号3的N-MOS管拉到了VSS的零电位。

在上图的上半部，施密特触发器处于开启状态，这意味着CPU可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时监控IO端口的状态；通过这个特性，还实现了虚拟的IO端口双向通信，只要CPU输出逻辑1，由于编号3的N-MOS管处于关闭状态，IO端口的电平将完全由外部电路决定，因此，CPU可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑1。

GPIO口的输出模式下，有3种输出速度可选（2MHz、10MHz和50MHz），这个速度是指GPIO口驱动电路的响应速度，而不是输出信号的速度，输出信号的速度与程序有关（芯片内部在IO口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路）。通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。高频的驱动电路，噪声也高，当不需要高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高的频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。

⑥开漏输出复用功能

⑦推挽输出模式

⑧推挽复用输出模式

GPIO推挽复用输出模式，编号2的输出控制电路的输入，与复用功能的输出端相连，此时输出数据寄存器被从输出通道断开了，并和片上外设的输出信号连接。我们将GPIO配置成复用输出功能后，如果外设没有被激活，那么它的输出将不确定，其它部分与前述模式一致，包括对“输入数据寄存器”的读取。

3、应用场合

①上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；

②浮空输入模式，由于输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准通信协议的I2C、USART的接收端；

③普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3V的场合。而普通开漏输出模式一般应用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就需要在外部一个上拉电阻，电源为5V，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5V电平。

④对于相应的复用模式，则是根据GPIO的复用功能来选择，如GPIO的引脚用作串口的输出，则使用复用推挽输出模式。如果用在IC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合，就使用复用开漏模式。

⑤在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻。