GPIO八种工作模式

目录

一、推挽输出

二、开漏输出

三、复用推挽输出

四、复用开漏输出

五、浮空输入

六、上拉输入

七、下拉输入

八、模拟输入

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GPIO八种配置模式，原理和使用场景，硬件原理如下图：

一、推挽输出

1、 原理

       当控制栅极为低电平时，上面的P沟道MOS管导通，下面的的N沟道MOS管截至，由于上管的S连接VDD，所以输出高电平。当控制栅极为高电平时，上面的P沟道MOS管截止，下面的的N沟道MOS管导通，由于下管的S连接VSS，所以输出低电平。对于STM32单片机，由于P沟道的MOS输出电流能力很强，所以推挽输出的电流最大可以输出20mA。

(1) 推动阶段——当连接到晶体管栅极的内部信号设置为低电平时，PMOS 晶体管被激活，电流从 VDD 流经它到输出引脚，NMOS 晶体管处于非活动状态（开路）且不导通。

(2) 拉动阶段——当连接到晶体管栅极的内部信号设置为高电平时，NMOS 晶体管被激活（关闭）并且电流开始从输出引脚流过它到 GND。同时，PMOS 晶体管处于非活动状态（开路）并且不传导电流。这种类型的输出不允许在总线配置中将多个设备连接在一起，推挽配置最常用于具有单向通信线上（线路上的信号传输仅在单一方向，比如SPI、UART等）。

2、使用场景

单片机主动控制输出高电平和低电平，例如对LED的控制，MOS管的开关控制，使能信号等。

二、开漏输出

1、原理

       开漏输出是为了实现逻辑器件的线与逻辑，如果配置成这种开漏输出，在需要电流输出驱动外部电路时，往往需要上拉一个电阻来提供电路的驱动电流，驱动能力的大小由外部上拉电阻决定，电阻越大，驱动能力越小，电阻越小，驱动能力越大，但是不能超过单片机的GPIO电流能力范围。

2、使用场景

        开漏输出一般应用在I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5 伏，并且把GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5 伏的电平，只要电流够，就可以驱动继电器等。

三、复用推挽输出

1、原理

(1) 从电路中可以看出，复用推挽输出和推挽输出并没有太大区别，区别仅仅在于触发源不一样， 单纯的推挽输出是在软件中手动地设置0和1实现的。

(2) GPIO的输出速度：GPIO的引脚速度跟应用相匹配，速度配置越高，噪声越大，功耗越大。

(3) 当然引脚频率是对输出而言的，当GPIO配置为输入模式时，输出速度配置毫无意义，因为输出驱动电路与输入端口是断开的。

(4)GPIO引脚输出频率说的是I/O口驱动电路的响应频率而不是输出信号的频率，可以理解为由高电平转换到低电平的时间：例如，对于串口，假如最大波特率只需115.2ｋｂ/ｓ，那么用2MHz的GPIO引脚频率就可以了，既省电，噪声也小。对于I2C接口，假如使用400kb/s波特率，又想留一些裕量，2MHz或许不够，可以选择10MHz的引脚频率。对于SPI接口，假如使用18Mb/s或9Mb/s的波特率，用10MHz的引脚频率显然不够了，需要选50MHz的。

2、使用场景

        而复用推挽输出指的是在某些模式下，例如某个GPIO既可以做USART的引脚，也可以做SPI的引脚等，启用了引脚的复用功能，这个时候需要设置该引脚为复用推挽输出，因为这个时候开发人员只需要配置相应的寄存器（参数），不需要关注具体的引脚电平。

四、复用开漏输出

五、浮空输入

1、原理

        对于单片机来说，此时的输入引脚处于高阻态，需要外部同时提供高电平和低电平，因为在该模式下，内置上拉电阻和下拉电阻都没有生效。而内部的TTL肖特基触发器相当于斯密特触发器，用于对输入信号进行“整形”，将其转化为理想的TTL电平后传入输入数据寄存器，等待CPU读取。

2、使用场景

如果外部电路中已经包含了适当的上拉或者下拉电阻，可以选择浮空输入。

六、上拉输入

1、 原理

        所谓的上拉输入就是内部的上拉电阻投入使用。这个时候当外部输入低电平时可正常输入低电平，而当外部无输入信号（高阻态）时，可由单片机自身的上拉电阻提供高电平信号。

2、使用场景

        输入信号在断开连接时保持稳定的逻辑电平（例如，保持为高电平），可以选择上拉输入。通过使用上拉电阻，可以确保在没有外部信号输入时，输入引脚始终保持一个已定义的稳定状态。

七、下拉输入

1、原理

        下拉输入与上拉输入正好相反，这个时候当外部输入低电平时可正常输入高电平，而当外部无输入信号（高阻态）时，可由单片机自身的下拉电阻提供低电平信号。

2、 使用场景

        输入信号在断开连接时保持稳定的逻辑电平（例如，保持为低电平），可以选择下拉输入。通过使用下拉电阻，可以确保在没有外部信号输入时，输入引脚始终保持一个已定义的稳定状态。

八、模拟输入

1、原理

        只有在此模式下，输入才为模拟信号，因为其他模式输入模拟信号没有任何意义，经过了肖特基触发器或者施密特触发器，全都变成了数字信号。这时候上拉和下拉电阻也没有起到作用，电平直接由外部输入， 传输到内部的AD转换器单元将其转换为数字信号，等待CPU处理。

2、 使用场景

一般用于MCU内部的AD转换。