STM32之GPIO输出与输出

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一.GPIO输入

1.1GPIP简介

• GPIO「General Purpose Input Output」：通用输入和输出口
• 可配置为8种输入和输出模式
• 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可以容忍5V「在引脚分布图中，带FT的是可以容忍5V的」
• 输出模式下可控制端口输出高电平，用以驱动LED，控制蜂鸣器，模拟通信协议输出时序等「只要是用高低电平来使用控制的地方，都可以用GPIO来完成；如果是控制功率比较大的设备，只需要加入驱动电路即可。我们还可以使用GPIO来模拟通信协议，比如I2C，SPI或者某个芯片特定的协议，我们都可以使用GPIO的输出模式来模拟其中中输出时序部分」

1.2GPIO基本结构

• 在STM32中，所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的，其中GPIO外设的名称是按照GPIOA，GPIOB，GPIOC等等这样来命名的。

• 每个GPIO外设一共16个引脚，编号是从0到15，比如：GPIO的第0号引脚我们一般称之为PA0，接着就是PA1…一直到PA15

• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入「这是最常见的一种方式」，外接模块电平信号输入，ADC电压采集，模拟通信协议接收数据等等。

• 在每个GPIO的模块内，主要包含驱动器和寄存器这些东西，寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，这样就可以实现输出电平和读取电平的功能了。

• 寄存器的每一位对应一个输出引脚，其中输出寄存器写1，对应的引脚就会输出高电平；写0，就会输出低电平。输入寄存器读取为1，就证明对应的端口目前是高电平，读取为0，就是低电平

• 因为STM32是32位的单片机，所以STM32内部都是32位的，但是这个端口只有16位，所以这个寄存器只有低16位对应的有端口，高16位是没有用到的

• 这个驱动器是用来增加信号的驱动能力的，寄存器只负责存储数据，如果要用来点灯操作的话，还是要驱动器来负责增大驱动的能力的

1.3GPIO位结构

• 上拉输入，默认是高电平的输入模式，下拉输入，默认是低电平的输入模式。这个上拉电阻和下拉电阻的阻值都是比较大的，是一种弱上拉和弱下拉，目的是不影响正常的输入操作。
• 肖特基触发器是翻译错误，正确的名字应该是斯密特触发器「作用是对输入电压进行整形的」，这个触发器的执行逻辑是：如果收入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平，如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间升为低电平。「举个例子：因为这个引脚的波形是外界输入的，虽然是数字信号，实际情况下可能会产生某些失真」
• 因为这个输出寄存器同时控制机16个端口，并且这个寄存器只能整体的读写，所以如果想单独控制某一个端口而不影响其他端口的话就需要一些特殊的方式。第①种方式是先读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去，在C语言中就是&=和|=的操作，这种方式比较麻烦，效率不高，对于IO的话，操作的效率不高。第②种方式是通过设置这个位设置和位清除寄存器，如果我们要对某一位进行置1的操作，在位设置的寄存器的对应的位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样他内部就会有电路，自动将输出寄存器中对应的位置写1，而剩下写0的位则保持不变。如果想对某一位进行清0操作，在清除寄存器对应的位写1即可。第二种方式就是利用这个位设置和位清除寄存器的作用。第③种方式就是读写STM32中的位带区域,这个位带的作用就和STM32中的位寻址的作用差不多，在STM32中，有一段区域映射了RAM和外设寄存器所有的位，读写这段地址中的区域，就相当于读写所映射位置的某一位一样
• 在接下来输出控制之后，就接在了两个MOS管上，上面是P-MOS，下面是N-MOS。这个MOS管就是一种电子开关，我们的信号负责导通开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD和VSS，在这里可以选择推挽开漏和关闭三种输出方式，①在推挽模式下：P—–MOS和N-MOS都打开，数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输入寄存器直接接住VDD，就是就是输出高电平，输出寄存器为0时，上管导通，下管断开，输出寄存器直接接到VSS，就是输出低电平，这种模式下高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式也可以叫做强推输出模式，在推挽输出模式下，STM32对IO口有绝对的控制权，高低电平都对STM32说的算，②在开漏模式下，这个P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作，数据寄存器为1时，下管断开，这时输出寄存器相当于断开，这就是高阻模式；数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平，这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的，这个开漏模式有什么用呢？这个开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，就是使用的是开漏没事，在多机通信的模式下，这种模式可以避免多个设备之间互相干扰，开漏模式还可以用于输出5V的电平信号，用于兼容一些5V的通信设备

1.4GPIO的八种模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下几种模式：

模式编号	模式名称	描述
0	输入浮空 (Input Floating)	GPIO引脚被配置为高阻态，既不拉高也不拉低，适合用于检测外部电平变化。
1	输入上拉 (Input Pull-up)	内部上拉电阻使引脚在没有外部信号时呈现高电平。
2	输入下拉 (Input Pull-down)	内部下拉电阻使引脚在没有外部信号时呈现低电平。
3	输出推挽 (Output Push-Pull)	引脚可以主动驱动高电平或低电平，适用于驱动LED等负载。
4	输出开漏 (Output Open-Drain)	引脚只能主动拉低，需要外部上拉电阻来提供高电平。
5	复用推挽 (Alternate Function Push-Pull)	将引脚配置为复用功能，如UART、I2C等，并以推挽方式输出。
6	复用开漏 (Alternate Function Open-Drain)	将引脚配置为复用功能，如UART、I2C等，并以开漏方式输出。
7	模拟 (Analog)	引脚被配置为模拟输入，用于ADC等模拟信号处理。

每种模式都有其特定的应用场景，选择正确的模式对于确保电路正确工作至关重要。例如，如果要使用GPIO引脚作为数字输入来读取按钮状态，可以选择输入上拉或下拉模式；如果要用作LED驱动，则输出推挽模式可能是更好的选择。对于像I2C这样的通信协议，通常会使用输出开漏或复用开漏模式，因为这些协议通常需要外部上拉电阻来确保总线处于正确的电平。

1.4.1浮空/上拉/下拉输入

在输入模式下，输出功能关闭

1.4.2 模拟输入

模拟输入：ADC模数转换器的专属配置，其他时候一般用不到模拟输入

1.4.3 推挽输出\开漏输出

• 开漏输出：可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接VSS，高电平没有驱动能力
• 推挽输出：可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS，高低电平均有较强的驱动能力

在输出模式下：也是可以进行输入的

引脚的控制权转移到了片上外设，由片上外设来控制，在输入部分，片上外设也可以读取引脚的电平，同时普通的输入也是有效的，顺便接收一下信号

在GPIO的八种模式中，除了模拟信号这个模式会关闭数字的输入功能，在其他的7个模式中，所有的输入都是有效的

二.GPIO输入

2.1.按键介绍

• 按键：常见的输入设备，按下导通，松手断开。
• 按键抖动：由于按键内部使用的是机械式的弹簧片来进行通断的，所以在按下和松手的瞬间会伴随有一连串的抖动

所以我们要对这个抖动进行过滤，否则就会出现按键按一下，单片机会反应多次的现象。另外在按键松手时，也会有抖动的现象，这个我们在程序中也要学会过滤。最简单的过滤方法就是加一段延时，把震荡的一段时间给延时过去

2.2传感器模块介绍

传感器模块:传感器元件(光敏电阻/热敏电阻/红外接收管等)的电阻会随外界模拟量的变化而变化，通过与定值电阻分压即可得到模拟电压输出，再通过电压比较器进行二值化即可得到数字电压输出

2.3按键电路

• 在第一幅图中，必须要求PA0是上拉输入模式，否则就会出现引脚不确定的情况，引脚悬空的情况下，就是高电平，
• 在第二副图中，引脚需要配置成上拉输入或者浮空输入，对应的高电平就更加的稳定，这样的话，当引脚强行拉到低时，对应的损耗就会大一些
• 第三个图中，要求PA0必须配置成下拉输入模式，当按键按下时，引脚为高电平，松手时，引脚回到默认低电平，一般的单片机不一定有下拉输入模式，
• 在第四个图中，PA0需要配置为下拉输入模式或者浮空输入模式