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GPIO输入和输出

news 2026/1/2 17:04:23

参考视频：2.1 [GPIO]4种输出模式_哔哩哔哩_bilibili

输出：通过写0或者写1，控制引脚输出低电压或高电压。

输入：通过读取引脚是0还是1，判断引脚输入的是高电压还是低电压。

输出

推挽开漏
通用通用输出推挽通用输出开漏
复用复用输出推挽复用输出开漏

输出主要和下半部分相关，I/O引脚之所以可以向外输出电压，就是因为这两个MOS管。可以把这两个MOS管直接想象成两个开关。

推挽模式

P-MOS和N-MOS交替导通，写0输出低，写1输出高。

  • 写0的时候，就是P-MOS管断开，N-MOS管导通
  • 写1的时候，就是P-MOS管导通，N-MOS管断开

开漏模式

P-MOS管断开，控制N-MOS通断。写0输出低，写1输出高阻抗。

  • 写0的时候，N-MOS管导通，I/O引脚低电压
  • 写1的时候，N-MOS管断开，I/O引脚高阻态

写1的时候，因为上下都断开了，所以I/O引脚的电流为0，由欧姆定律，电流为0，那电阻就无穷大。

通用和复用

通用就是通过编程的方式，命令CPU向I/O引脚写0或写1，然后写的0还是1会直接控制后面两个MOS管的通还是断，引脚就可以对应的输出高电压、低电压或者是高阻抗。

复用就是使用其它片上外设来控制引脚。

IO最大输出速度

IO最大输出速度：向IO交替写0和1且输出不失真的最快速度。

一开始写0和1的速度慢，每秒写10次，逐步加快到100次，1000次，最后在10万次的时候，发现波形不能正常输出了，10万次就是I/O引脚的最大输出速度。

上升时间、下降时间和保持时间

  • 理想的情况是向I/O引脚写1，电压会瞬间从0V变成3.3V；当向I/O引脚写0的时候，电压会从3.3V立刻变为0。
  • 但实际情况会有一个上升的过程，写1的时候，电压会经历一段时间缓慢的上升，从0到3.3V，称为上升时间；当写0之后，电压会从3.3V缓慢的下降到0V，称为下降时间；中间输出有效电压的时间称为保持时间。

什么限制了IO的最大输出速度

就是上升时间和下降时间的长短。

当以比较慢的速度交替写0和写1，因为写的比较慢，所以上升时间和下降时间两个斜坡之间的距离比较长，所以中间保持时间就比较长，中间保持时间就是输出有效电压的时间。

加快写0和写1的速度，上升时间和下降时间两个斜坡之间的距离变小了，中间保持时间的距离变短了，输出有效电压的时间变短了。

再加快写0和写1的速度，上升沿的斜坡和下降沿的斜坡靠在了一起，中间的保持时间变成了0，完全不能向外输出有效的电压了，这就证明写0和写1的速度已经超过了I/O引脚的最大输出速度了。这时可以通过减小上升时间和下降时间，就又能输出有效的波形了。

最大输出速度应该如何选择

低速：2MHz；中速：10MHz；高速：50MHz。

选取满足要求的最小值，过于陡峭得边沿会增加耗电、并引入EMI问题。

输入

红色上面的就是输入部分。当只闭合上面的开关，对应的模式就是叫输入上拉；当只闭合下面的开关，对应的模式就是输入下拉；当两个开关都断开，I/O引脚就悬空了，对应的模式就是输入浮空。

把外部的信号通过引脚输入到单片机当中，经过这一部分的电路处理之后，就把外部输入引脚的高低电压转换成0和1这样的数字。如果通过引脚输入的是低电压，比如是0V，产生的数字就是0；如果通过引脚输入的是高电压，比如是3.3V，得到的就是数字1。然后输入的数字会保存到输入数据寄存器里面。然后可以命令CPU读取输入数据寄存器里面的值，通过判断0还是1，就可以知道输入的是高电压还是低电压。

保护二极管

输入的外部电压过高或过低都会造成损害，所以保护二极管的作用就是把输入的电压限制在一定范围内。

保护二极管：把输入电压限制在一定范围内 VSS-0.7V ~ Vdd+0.7V。

比如输入电压大于4V，因为Vdd是3.3V，上面保护二极管的电压就大于0.7V了，而保护二极管的导通电压是0.7V，此时二极管导通，4V电压就不会流到后面电路里面。

上拉电阻和下拉电阻

施密特触发器是输入阻抗无穷大，可以把它等效于一个大电阻，阻值无穷大，等效的就是右边那张图。

不考虑上拉电阻和下拉电阻。当引脚输入0V时，CPU读出的就是0；当输入引脚为3.3V，CPU读出的就是1；当引脚是悬空的时候，因为施密特触发器是输入阻抗无穷大，所以上面就是一根孤零零的导线，CPU读到的电压就一会是0一会是1。

上拉电阻：

输入0V和3.3V都没有什么问题。当引脚悬空，就相当于上拉电阻和阻值无穷大的电阻串联了的电路图，上拉电阻分得的电压为0V，CPU读到的就是1。

上拉电阻：当引脚悬空时，产生一个默认的高电压。

下拉电阻：当引脚悬空时，产生一个默认的低电压。

施密特触发器

把输入的高低电压转换成1和0这样的数字。

有两个门限电压VTH和VTL，只有当高于VTH或者低于VTL时，输出电压才会发生变化。

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