2020年02月05日 | 基于STM32的八种GPIO输入输出模式解析

最近在看数据手册的时候，发现STM32的GPIO输入输出模式的配置种类有8种之多（输入和输入各4种）：

（1）GPIO_Mode_AIN模拟输入

（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING浮空输入

（3）GPIO_Mode_IPD下拉输入

（4）GPIO_Mode_IPU上拉输入

（5）GPIO_Mode_Out_OD开漏输出

（6）GPIO_Mode_Out_PP推挽输出

（7）GPIO_Mode_AF_OD复用开漏输出

（8）GPIO_Mode_AF_PP复用推挽输出

我们平时接触的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入这三种，但对于各种模式下IO口的内部电路和典型应用，STM32的数据手册中也未曾做过详细的说明和归纳。因此，这里收集了一些网上的资料，试图做一总结。

推挽输出：可以输出高，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。高低电平由IC的电源低定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

详细理解：

推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经VT3拉出。这样一来，输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使RC常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

开漏输出：输出端相当于三极管的集电极。 要得到高电平状态需要上拉电阻才行。 适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20ma以内）。

开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。

2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）

3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

4. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充：什么是“线与”？：

在一个结点（线）上，连接一个上拉电阻到电源VCC或VDD和n个NPN或NMOS晶体管的集电极C或漏极D，这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上，只要有一个晶体管饱和，这个结点（线）就被拉到地线电平上。因为这些晶体管的基极注入电流（NPN）或栅极加上高电平（NMOS），晶体管就会饱和，所以这些基极或栅极对这个结点（线）的关系是或非NOR逻辑。如果这个结点后面加一个反相器，就是或OR逻辑。

其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

浮空输入：对于浮空输入，一直没找到很权威的解释，。

也有认为［2］：如果既要用于输出，又要接收信号作输入，无需改变该pin的工作模式，只需设定为浮空浮点状态GPIO_Mode_IN_FLOATING ，但是读的时候读输入寄存器（GPIOE-》IDR）的值。输出值照样设定，不过输出pin脚可能要硬件上上拉。

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入/下拉输入/模拟输入：这几个概念很好理解，从字面便能轻易读懂。

复用开漏输出、复用推挽输出：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）

最后总结下使用情况：

在STM32中选用IO模式

（1）浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1

（2）带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入

（3）带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入

（4）模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电

（5）开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能

（6）推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的

（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL，SDA）

（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1，MOSI，MISO.SCK.SS）

STM32设置实例：

（1）模拟I2C使用开漏输出_OUT_OD，接上拉电阻，能够正确输出0和1；读值时先GPIO_SetBits（GPIOB， GPIO_Pin_0）；拉高，然后可以读IO的值；使用GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_0）；

（2）如果是无上拉电阻，IO默认是高电平；需要读取IO的值，可以使用带上拉输入_IPU和浮空输入_IN_FLOATING和开漏输出_OUT_OD；