GPIO引脚的上拉下拉以及转换速度到底怎么选
【摘要】本文讲述在进行单片机开发当中，新手小白常常为GPIO端口的种种设置感到迷惑，例如到底设置什么模式？它们之间的区别是什么？到底是设置上拉还是下拉电阻，有什么讲究？端口的输出速度又该如何设置？如果你有以上疑惑，本文通过电路底层原理统统告诉你问题答案。
- GPIO基础知识
- STM32 的 IO 口可以由软件配置成如下8 种模式：
- 浮空输入：如下图②所示，两个上/下拉电阻开关均断开，I/O引脚直接连接TTL肖特基触发器，此时I/O引脚浮空，读取的电平是不确定的，外部信号是什么电平，MCU引脚就输入什么电平。MCU复位上电后默认为此状态。
- 上拉输入：如下图②所示，VDD经过开关、上拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号时，默认输入高电平。典型应用是外接按键并接地，当没有按键按下时候，MCU的引脚为确定的高电平，当按键按下时候，引脚电平被拉为低电平。
- 下拉输入：如图 ②所示，Vss经过开关、下拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号时，默认输入低电平。
- 模拟输入：如下图 ②所示，两个上/下拉电阻开关均断开，同时TTL肖特基触发器开关也断开，引脚信号直接
连接模拟输入，实现对外部信号的采集。 - 开漏输出：开漏结构可以看作只连接了一个N-MOS管，“输出控制”输出1，N-MOS管导通，引脚被拉低至0；“输出控制”输出0，N-MOS管截至，引脚电位完全由外面电路控制（引脚必须配置上拉电阻才能输出1）。
- 推挽输出：推挽结构由两个MOS管按互补对称的方式连接，任意时刻总是其中一个三极管导通，另一个三极管截
止，“输出控制”变为了VDD/Vss输出。 - 推挽复用：GPIO引脚除了作为通用输入/输出引脚使用外，还可以作为片上外设（USART、I2C、SPI等）专用引脚，即一个引脚可以有多种用途，但同一时刻一个引脚只能使用复用功能中的一个。
- 开漏复用：同开漏输出，该模式下需要上拉电阻才行，否则不能输出1。
- GPIO电路结构
- STM32 的 IO 口可以由软件配置成如下8 种模式：
- 小结
- 推挽输出无需外接上下拉电路就可以直接输出高低电平，且输出电流较大（25mA左右），提高了电路的负载能力和开关的动作速度。
- 开漏输出模式需要配置（内接或外接）上拉电阻才能输出高电平，但也恰恰可以通过外接的电源提供比推挽输出更大的驱动电流（推挽结构中的Vdd是3.3V，但开漏结构下外接上拉电源可设置为5V）。需要注意的是，当采用内部上拉时，由于上拉电阻较大（20~50K欧），仅能提供小电位（3.3V）小电流（50uA）和慢电平转换速度（2MHz），仅适用于IIC等低速低功耗通信的场合。另外，多个开漏的引脚可以直接并在一起使用，统一接一个合适的上拉电阻，就可以实现“逻辑与”关系，即当所有引脚均输出高电平时，输出才为高电平，若任一引脚输出低电平，则输出低电平。在I2C、SMBUS等总线电路中经常会用到。
- GPIO引脚除了作为通用输入/输出引脚使用外，还可以作为片上外设（USART、I2C、SPI等）专用引脚，即一个引脚可以有多种用途，但同一时刻一个引脚只能使用复用功能中的一个。
- STM32的I/O引脚工作在输出模式下时，需要配置I/O引脚的输出速度。该输出速度不是输出信号的速度，而是I/O口驱动电路的响应速度（STM32提供2MHz、10MHz、50MHz三个输出速度）。高速时，功耗高、噪声大、电磁干扰强；低速时，功耗低、噪声小、电磁干扰弱。 通常简单外设，比如LED灯、蜂鸣器灯，建议使用2MHz的输出速度，而复用为I2C、SPI等通信信号引脚时，建议使用10MHz或50MHz以提高响应速度。 但在使用HAL编程时常常能看到，明明引脚配置为输入模式，但还是有相关的引脚输出速度配置，此处仅仅是为了编译器语法的正确性，即使设置了实际电路中也不会生效。
- 那到底什么时候需要选择上拉、下拉或不拉呢？
- 首先看引脚方向。如果是输出引脚，那就无所谓上下拉，因为引脚是根据你的输出数据来确定高低的，此时由MCU提供电位，所以一般选择no pull，唯此才能进行正确输出。上拉下拉主要针对的是输入引脚。
- 其次看电路设计。那么就需要看具体电路设计和引脚的空闲值或有效值是0还是1了。如果空闲值或无效状态（假设某引脚连接开关后接地，开关按下，引脚接地，状态为0，则0就是有效状态，1就是无效状态。）是输入0，则最好配置为pull down，反之则配置为pull up。
- 最后看是否是模拟输入，如果是模拟输入，是不需要设置上下拉的，否则会干扰外界真实电位。
- 所以，不管是上拉还是下拉，这样做的核心目的，主要是为了引脚在空闲时有一个稳定的电位或状态。举例来说，假设某输入引脚没有设置内部上下拉，同时外部电路在没有设计上下拉，在这种情况下，引脚是浮空的，它的电位状态是不确定的。有许多硬件工程师设计电路时，会在GPIO口的外部设计上下拉电阻，这和内部配置pull up/down是一个目的，且效果相同。
3.举例说明
- 比如单片机的I / O脚接一个按键的左端，按键的右端接正电源，那么我们就要设置I / O脚为下拉模式，因为这样才能使得按键按下去的时候，能把I / O脚拉高，不然设置上拉模式的话，即按键的功能等于摆设。同理，如果按键另一端接地，我们就要设置为上拉模式了。
- 总结
- 一般来说，是否需要设置上下拉电路，需要区分这个GPIO口用于输入还是输出。如果是输出，通常情况下无需设置内部上下拉，除非是开漏输出，但一般也是外部上拉。若为输入，则需根据电路实际情况进行设置。例如，如果某IO口的外部电路已经设置了上下拉电路，那么我们内部上拉还是下拉就可以不设置了。
- 上拉电阻的目的是为了保证在无信号输入时输入端的电平为高电平，且在信号输入为低电平时输入端的电平应该也为低电平。如果没有上拉电阻，在没有外界输入的情况下输入端是悬空的，它的电平是未知的无法保证的。同理，下拉电阻的目的是为了保证无信号输入时输入端的电平为低电平，且在信号输入为高电平时输入端的电平也为高电平。