GPIO的内部结构与功能解析

一、GPIO总体结构

 总体构成

1.APB2(外设总线)

APB2总线是微控制器内部连接CPU与外设（如GPIO）的总线，负责CPU对GPIO寄存器的读写访问，支持低速外设通信

2.寄存器

控制GPIO的配置（输入/输出模式、上拉/下拉等）和状态读取（输入电平、输出电平等）

3.驱动器

GPIO驱动器负责将寄存器中设置的电平信号转换为实际的电压输出，驱动外部负载。同时，驱动器也对输入信号进行缓冲和整形，确保信号稳定传输到输入寄存器，有着数据预处理作用

二、内部构造

某一个端口内部的结构  

1.保护二级管

二极管具有单项导通性，在输入情况下，当引脚电平低于Vss，Vss与引脚之间二极管导通，防止从GPIO内部汲取电流，同理，当引脚电平高于Vdd，引脚与Vdd之间二极管导通，防止GPIO内部电流过载。

2.上拉电阻和下拉电阻

为了解决引脚悬空导致输入电平不确定的状态，以接上拉电阻为例，可以保证默认输入电压为高电平，为什么呢，因为GPIO内部的等效电阻非常大，与上拉电阻串联，根据串联分压可以知道电阻的压降很小，所以输入等价于固定在高电平。那么为什么需要接上拉电阻呢，直接去掉不行吗？我的理解是：如果去掉上拉电阻，那么当输入引脚为0，那么输入驱动器内部的Vdd与输入引脚之间就短路，进而可能会导致元器件损坏。

3.施密特触发器（如图中肖特基触发器，翻译错误）

用于对输入电压进行整型，提高输入的稳定性，图中输入到输入寄存器中的某一位，如下图所示，只有电压低于下线low或者高于上线low才会变化。同时由于片上外设ADC需要接受模拟量，因此可以在施密特触发器整型之前获取输入的模拟量。

 4.端口输出

 输入设置如下，经过二路选择器来选择输出的是GPIOx寄存器的指定比特位or复用功能信号。位设置/清楚寄存器可以用来操作寄存器中的某一位，而不影响其他位（输出数据寄存器只能整体读写）。输出控制，根据输出寄存器的位信息，当输出低电平，P-MOS导通，N-MOS截止，输出高电平，反之输出低电平。

GPIO的八种工作模式 

1.浮空输入、上拉输入、下拉输入

三种输入方式在于是否连接上拉电阻和下拉电阻，这种模式下输出控制断开，只进行输入。当引脚悬空时，浮空输入电平不确定，上拉输入电平默认高电平，下拉输入电平默认低电平。

 2.模拟输入

模拟输入时，不连接上拉电阻和下拉电阻。

3.开漏/推挽输出

当P-MOS无效，N-MOS有效，就是开漏输出，这时候高电平为高阻态，这可以兼容不同的部件的高电平电压值，把高电平值交给连接的部件决定（上拉输入）。同时输出情况下，可以保持正常读的功能，感知输出值，但是输入情况下不能输出，可能因为防止输出高电平，输入低电平导致短路。

 4.复用开漏/推挽输出

只不过复用的输出，引脚的电平是由片上外设所决定的。