STM32F3 GPIO的八种模式及工作原理

2024-01-08 18:44:28

一、GPIO简介

    GPIO（英语：General-purpose input/output），通用型之输入输出的简称，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，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。

二、GPIO的工作模式

4种输入模式

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
GPIO_Mode_IPU 上拉输入
GPIO_Mode_IPD 下拉输入
GPIO_Mode_AIN 模拟输入

4种输出模式

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

3种最大输出速度

2MHZ
10MHZ
50MHZ

三、GPIO框图剖析

我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式这里我们简单的介绍下：

保护二极管： IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT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
上拉、下拉电阻（输入驱动器中）：控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平
TTL施密特触发器（输入驱动器中）：基本原理是当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号也就是高低电平并且是TTL电平协议这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
P-MOS管和N-MOS管（输出寄存器中）：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式 P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭
注意： VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着只支持3.3V 。在芯片手册中可以查看支持5V的引脚：

浮空输入模式

注意：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
上拉输入模式

注意：上拉输入模式下，IO口默认为高电平
下拉输入模式

注意：下拉输入模式下，IO口默认为低电平
模拟输入模式

注意：模拟输入模式下，信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，所以CPU不能读取输入寄存器上的引脚状态。除了ADC和DAC要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律要配置为用功能模式。
开漏输出模式

注意：在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，若控制输出为1时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用而是由
I/O端口外部的上拉或者下拉决定，如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态。
推挽输出模式（带上拉）

注意：在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果控制输出为0，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，若控制输出为1，则P-MOS管导通N-MOS管关闭。
复用开漏输出

注意：复用开漏输出下，GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，
复用推挽输出（带上拉）

注意：复用推挽输出下，GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，
输出模式下施密特触发器是打开的，所以mcu是可以读取到I/O口的实际状态。

开漏输出和推挽输出的区别：
推挽输出：可以输出强高低电平，连接数字器件，推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。
开漏输出：可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高，才能实现输出高电平，适合用做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。
F4系列与F1系列区别:
本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核而F1系列采用Cortex-M3内核
F1系列(M3)IO口基本结构：

F4系列(M4)IO口基本结构：

四、寄存器介绍

STM32 的每个 IO 端口都有 7 个寄存器来控制，他们分别是：配置模式的 2 个 32 位的端口配置寄存器 CRL 和 CRH；2 个 32 位的数据寄存器 IDR 和 ODR；1 个 32 位的置位/复位寄存器BSRR；一个 16 位的复位寄存器 BRR；1 个 32 位的锁存寄存器 LCKR；这里我们仅介绍常用的几个寄存器，我们常用的 IO 端口寄存器只有 4 个：CRL、CRH、IDR、ODR。

配置模式CRL和CRH寄存器

从图中可以看出配置GPIO的模式需要4位进行配置，分辨是两位CNFy和两位MODEy进行配置，因为每组GPIO都有16个引脚，而STM32是32位的，所以一个寄存器无法完成一组GPIO的配置，其中CRL配置 0 ~ 7 引脚，CRH配置 8 ~ 15 引脚。

比如我们要设置 PORTB 的 12 位为推挽输出，5 位为上拉输入。

//配置PB5为上拉输入
GPIOB->CRH &= 0XFF0FFFFF; //清掉这5引脚位原来的设置，同时也不影响其他位的设置
GPIOB->CRH |= 0X00800000; // 配置PB5上拉输入
GPIOB->ODR= 1<<5; //PB5 上拉

//配置PB12为推挽输出
GPIOB->CRH &= 0XFFF0FFFF; //清掉这12引脚位原来的设置，同时也不影响其他位的设置
GPIOB->CRH |= 0X00030000; // 配置PB12推挽输出

端口输入数据寄存器IDR
端口输出数据寄存器ODR
端口位设置/清除寄存器BSRR
端口位清除寄存器BRR
端口配置锁定寄存器LCKR

五、编写程序

上面介绍了GPIO的8中工作模式以及GPIO的寄存器使用，那么在控制GPIO之前需要配置GPIO的工作模式，这是STM32和51单片存在区别的地方。51单片的引脚功能是确定的，而STM32的引脚都是可以复用的，程序配置GPIO的方式有两种，一种是通过库文件的方法进行配置，另一种是通过寄存器进行配置，由于库文件的配置方式比较简单，网上也有很多文章讲解，这里我以寄存器为例进行学习。
注意：STM32的所用引脚都可以用于中断
程序是基于之前创建的项目模板（寄存器版）中进行更改即可，没创建过STM32项目的小伙伴浏览之前的STM32新建模板之库文件和STM32新建模板之库文件。

更改main.c文件为一下内容即可

#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"
	
/*------------------------------------------------------------
                           主函数
------------------------------------------------------------*/
int main()
{

	RCC->APB2ENR|=0X0000001c;//先使能外设IO PORTa,b,c时钟
	
	RCC->APB2ENR |= 1 << 12;

	GPIOB->CRH=0X00030000;    //设置GPIOB的12引脚为推挽输出

	while (1)
	{			
		delay_ms(100);     	 
		GPIOB->ODR = ~(1 << 12);	//设置12引脚输出0

		delay_ms(100);
		GPIOB->ODR |= 1 << 12;		//设置12引脚输出1

	}
}

这是一个led闪烁的程序，编译下载运行即可。

参考文献

STM32F4 GPIO八种模式及工作原理详解：https://blog.csdn.net/as480133937/article/details/98063549
STM32-GPIO详解：https://blog.csdn.net/dnfestivi/article/details/104984813
《STM32中文参考手册》

码农公寓