单片机基础（STM32-DAY2(GPIO））

什么是GPIO？

GPIO 全称是 General Purpose Input/Output，即通用输入输出端口。

是单片机/微控制器上最基础、最常用的功能模块之一。

每个GPIO引脚都可以被配置为输入或输出，用于与外部世界进行数字信号的交互。

1.GPIO框架图

通用框图F1系列：

2.工作模式

1.输入模式

1.1. 浮空输入（Floating Input）

概念

(1) I/O引脚没有连接上拉或下拉电阻，也没有外部信号输入。（就是上拉电阻和下拉电阻处的开关都没有联通，直接存取。这个时候信号很容易不稳定）

(2) 引脚电平不确定，容易受外界干扰，可能随机跳变高低电平。

特点

(1) 高阻抗状态，对外部电路几乎没有影响。

(2) 不推荐将引脚长期设为浮空输入，容易引起误动作或功耗增加。

应用

(1) 仅在有外部信号源（如按键、传感器）时使用。

(2) 不建议悬空不用的引脚设为浮空输入。

1.2. 上拉输入（Pull-up Input）

概念

(1) I/O引脚内部或外部连接一个上拉电阻到Vdd（高电平）。

(2) 当没有外部信号时，电阻会把引脚电平拉到高电平。(相当于上面接一个电源，持续联通单片机内部，输入高电平Vdd)

特点

(1) 防止引脚悬空，默认高电平。

(2) 常用于按键检测（按下为低，松开为高）、I²C等场合。

应用

(1) 按键输入（常开按键一端接地）

(2) I²C总线

(3) 需要默认高电平的输入

1.3. 下拉输入（Pull-down Input）

概念

(1) I/O引脚内部或外部连接一个下拉电阻到GND（低电平）。

(2) 当没有外部信号时，电阻会把引脚电平拉到低电平。(外部没有信号的时候，内接Vss低电压，保持低电平)

特点

(1) 防止引脚悬空，默认低电平。

(2) 用于需要默认低电平的输入场合。

应用

(1) 按键输入（常闭按键一端接Vcc，较少用）

(2) 需要默认低电平的输入

1.4. 模拟输入（Analog Input）

概念

I/O引脚连接到ADC（模数转换器）模块，用于采集外部的连续模拟信号（如电压、电流、传感器输出等）。

特点

(1) 输入信号是连续的电压值，不是单纯的高低电平。

(2) 不能配置为上拉/下拉/浮空，通常为高阻抗输入。

应用

(1) 采集温度、光照、音频等模拟信号（因为信号不只是单纯的高低电平，而是要显示具体数据，需要直接采集复杂的电信号）

(2) 电位器、传感器等模拟量输入

2.输出模式

2.1. 推挽输出（Push-Pull Output）

原理

(1) 推挽输出结构由一个P型MOS管（PMOS）和一个N型MOS管（NMOS）组成。

(2) 输出高电平时，PMOS导通，NMOS关断，引脚被拉到Vcc。

(3) 输出低电平时，NMOS导通，PMOS关断，引脚被拉到GND。

(4) 不能同时导通，防止短路。

特点

(1) 可以主动输出高电平和低电平。

(2) 驱动能力强，响应速度快。

(3) 适合直接驱动LED、蜂鸣器等负载。

应用场景

(1) 普通数字信号输出

(2) 需要大电流驱动的场合

(3) SPI、UART等总线

2.2. 开漏输出（Open-Drain Output）

原理

(1) 只用NMOS管（或NPN三极管），没有PMOS。

(2) 输出低电平时，NMOS导通，引脚被拉到GND。

(3) 输出高电平时，NMOS关断，引脚为高阻态（悬空），需要外部上拉电阻拉到高电平。

特点

(1) 只能主动输出低电平，不能主动输出高电平。

(2) 需要外部上拉电阻，才能输出高电平。

(3) 多个开漏输出可以直接并联，实现“线与”功能（有任意一个为低，输出就为低）。

应用场景

(1) I²C总线（多主多从，需线与功能）

(2) 外部中断输入

(3) 需要与不同电压系统通信时（如3.3V与5V系统）

2.3. 总结对比

特性	推挽输出	开漏输出
输出高电平	主动输出	需上拉电阻
输出低电平	主动输出	主动输出
高阻态	无	有
并联线与	不支持	支持
驱动能力	强	取决于上拉电阻
应用	普通IO/驱动负载	I2C/中断/多机通信