【STM32实践篇】：GPIO 详解

GPIO 基本结构

右边的红框是I/O引脚，这个I/O引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其他部分都是GPIO的内部结构。

1. 保护二极管

   • 上方二极管用于防过压保护，当I/O引脚电压高于 V_DD + 二极管导通压降​时，电流从I/O引脚流向V_DD电源，将I/O引脚电压钳位在 ​V_DD + 0.7V。
   • 下方二极管用于防负压保护，当I/O引脚电压低于 V_SS - 二极管导通压降​时，电流从V_SS流向I/O引脚，将I/O引脚电压钳位在 ​V_SS - 0.7V。

2. 上拉、下拉电阻
   上拉和下拉电阻最根本的作用是确保I/O引脚在未被主动驱动（高阻态）时，有一个确定的逻辑电平，避免引脚“悬空”导致的信号不稳定或误触发。

   • 上拉电阻 Pull-up Resistor：当I/O引脚未被外部电路或内部驱动主动拉低时，上拉电阻将引脚电位“拉”向V_DD，使其稳定在高电平，也就是逻辑‘1’。
   • 下拉电阻 Pull-down Resistor：当I/O引脚未被外部电路或内部驱动主动拉高时，下拉电阻将引脚电位“拉”向V_SS/GND，使其稳定在低电平，也就是逻辑‘0’​。

3. 施密特触发器

   • 施密特触发器有一个正阈值电压V+ ​和一个负阈值电压V-​，且 ​V+ > V-。只有当输入电压超过较高的V+时，输出才从低电平跳变为高电平；同样，只有当输入电压低于较低的V-时，输出才从高电平跳变为低电平，当输入电压处于 ​V- 和 V+ 之间​ 时，施密特触发器的输出保持之前的状态不变。
   • 看一张图理解比较器的（A）和施密特触发器（B）的差异：
     
     施密特触发器的​ V+ 和 ​V- 之间的区域被称为 ​滞回电压，在 V- < U < V+ 这个区域内，输出​保持​其之前的状态不变！它不会像比较器一样瞬间产生高低电平的变化，这样就形成了一个 ​噪声免疫区，只要噪声的幅度小于这个滞回电压，并且输入信号本身的变化趋势足够强能越过V+或V-，短暂的噪声干扰不会导致输出发生翻转，这就是施密特触发器相比普通比较器的核心优势。

4. P-MOS和N-MOS
   驱动输出电平（高电平 1 或低电平 0）并承受外部负载。

   • P-MOS：当其栅极接收到一个相对源极为低电平​的控制信号​时导通，此时它在 V_DD 和输出引脚​之间建立了一个低阻通路，电流从 ​V_DD 流经​导通的P-MOS管，​流入输出引脚，这会将输出引脚的电平拉高至接近 V_DD 的电压，向外部电路提供一个稳定的高电平1， 同时能够为连接在输出引脚到 V_SS/GND 的外部负载提供电流，确保外部能识别到高电平。
   • N-MOS：当其栅极​接收到一个相对源极为高电平​的控制信号时导通，此时它在输出引脚和 V_SS/GND 之间建立了一个低阻通路，电流从输出引脚​流经​导通的 N-MOS 管，​流入 V_SS/GND，这会将输出引脚的电平拉低至接近 V_SS/GND 的电压，向外部电路提供一个稳定的低电平0，能够为连接在 V_DD 到输出引脚的外部负载提供电流通路，确保外部能识别到低电平。

GPIO 工作模式

1. 输入浮空模式
   

   • 在该模式下，​上拉电阻 (Pull-up)​​ 和 ​下拉电阻 (Pull-down)​​ 的控制开关被断开，输出缓冲器被关闭，这意味着引脚本身几乎没有驱动能力，对外部电路的影响极小，引脚的电压完全由外部连接的电路决定。
   • 工作原理：外部信号通过引脚进入，经过保护二极管后，信号直接进入TTL施密特触发器，施密特触发器对输入信号进行整形，将缓慢变化的信号或带有噪声的信号整形成干净的高低电平信号，整形后的数字电平信号被锁存到​输入数据寄存器中。

2. 输入上拉模式
   

   • 输入上拉模式主要用于将悬空的 GPIO 引脚稳定地拉到一个确定的高电平状态。
   • ​工作原理：
     • 无外部输入时：开启的上拉电阻会将引脚拉至高电平，经过施密特触发器后，读输入数据寄存器该位将得到逻辑1。
     • 有外部输入时：
       • 当外部电路将引脚下拉至低电平时：外部下拉力量克服了上拉电阻的上拉作用，将引脚拉到 VT- 以下，经过施密特触发器后，读输入数据寄存器该位将得到逻辑0。
       • 当外部电路将引脚驱动至高电平时：由于外部信号源阻抗通常远小于上拉电阻，引脚电压会被外部源拉至高电平，读输入数据寄存器该位将得到逻辑1。
       • 如果外部信号源是高阻态输出​，该信号源本身不会驱动引脚电平，此时，内部上拉电阻起作用，将引脚拉到高电平。

3. 输入下拉模式
   

   • 当外部没有连接任何信号源或者外部信号源处于高阻态（Hi-Z）时，通过内置电阻将引脚电压下拉到一个明确的低电平。
   • 工作原理：
     • 外部信号为低电平时，“战胜”了内部下拉电阻的微弱下拉能力，引脚被拉低到 VSS。
     • ​外部信号为高电平时，外部的高电平强于​内部下拉电阻的拉低作用，引脚的实际电平被外部信号拉高到接近VDD。

4. 模拟功能
   

   • 当GPIO用于模拟功能时，必须完全断开其数字电路部分，其中输出缓冲器被禁止，施密特触发器输入停用（施密特触发器的输出被 强制处理为恒定值0），弱上拉和下拉电阻被关闭，对输入数据寄存器的读访问值为0。
   • 当用作模拟输入时（如连接至ADC），​外部模拟信号通过I/O引脚进入芯片。
   • 当用作模拟输出时（如连接至DAC），​片上模拟外设（如DAC）​产生的模拟信号通过该路径输出到I/O引脚。

5. 开漏输出和推挽输出
   
   对 I/O 端口进行编程作为输出时，输出缓冲器被打开，可以被设置为如下两种模式：

   • 开漏模式：输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS，引脚通过导通的N-MOS管拉低到VSS输出低电平；而输出寄存器中的“1”会使端 口保持高组态 (Hi-Z)（P-MOS 始终不激活）。
   • 推挽输出：输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS，引脚通过导通的N-MOS管拉低到VSS输出低电平；而输出寄存器中的“1”可激活 P-MOS，引脚通过导通的P-MOS管拉高到VDD输出高电平。
   • 施密特触发器输入被打开，可以读取输入数据寄存器(IDR)​来获取引脚实际的电平状态。

6. 复用功能
   

   • 复用功能模式 (AF Mode)​​ 就是让GPIO引脚不再作为普通的输入/输出口，而是将引脚的控制权“交”给某个内置的外设模块，如USART，TIM， I2C，SPI等。
   • 引脚输出的信号不再由写入GPIO的输出数据寄存器(ODR)决定，而是由所选外设模块内部产生的信号直接驱动。
   • 引脚输入的信号不再只被通过GPIO的输入数据寄存器(IDR)读取，而是会同时被连接到所选外设模块的接收端。