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STM32GPIO

news 2026/2/9 18:28:09

GPIO基本结构

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GPIO是挂载在APB2总线上的外设。GPIO结构中的寄存器分为输入寄存器和输出寄存器，APB2总线通过输出寄存器向引脚发送数据，通过输入寄存器读取引脚的高低电平。STM32是32位的单片机，所以寄存器是32位的，每一位对应一个pin，但是GPIO端口只有16位，所以寄存器只有低16位寄存器有效，高16位无效。驱动器是负责提高驱动能力的。

GPIO位结构

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上图是一个IO口的结构。1号是寄存器，2号是驱动器，3号就是外部的引脚。从图中还可以看到输入部分和输出部分。
IO口上的两个二极管是保护二极管，上方的主要防止电压过高，下放的主要防止电压负脉冲。当电压过低时，也可以防止从内部汲取电流。IO口引脚的电压是相对VSS的电压。

输入部分

IO口再往里面走，输入部分就到了两个电阻，一个上拉电阻，一个下拉电阻。通过程序控制开关的关闭还是打开来控制上拉输入还是下拉输入，两个都断开就是浮空输入。这两个电阻的阻值比较大，属于弱上拉和弱下拉的模式，目的是为了不影响输入的电平。
在往后走实际上是一个斯密特触发器，文档中翻译错误。

斯密特触发器的作用是对波形进行整形，因为IO口的输入电压是外界给的电压，难以避免的会出现失真，斯密特触发器就可以进行整形，当高于阈值上限的时候输出高，往后只要不是低于阈值下限就一直输出高。当低于阈值下限的时候输出低，只要不高于阈值上限就一直输出低。这样便可以存在一个抖动范围而不影响信号的输入。

然后就可以用程序读取寄存器的某一位数据就可以知道输入的电平了。

在上面是两个接到需要读取端口的片上外设的线，模拟输入连接到ADC上，因为ADC需要接收模拟量，所以接在触发器前面。另一个是复用功能输入，连接到其他需要读取端口的外设上，如串口的输入引脚等。

输出部分

输出可以由输出数据寄存器或片上外设控制。两种控制方式通过数据选择器接到输出控制那里。如果通过输出数据寄存器控制就可以通过写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的IO口。
左边的位设置/清楚寄存器，这个可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位。因为输出数据寄存器同时控制16个端口，并且这个寄存器只能整体读写。我们只能通过按位与或者按位或的方式更改某一位。最后整体更改后在写回去。但是这种方法比较麻烦，效率不高。
所以就可以通过这个寄存器，在位设置的寄存器某一位写 1 即可。剩下不需要的写0，它的内部会有电路，自动将输出数据寄存器中的对应位置1，其他位不变。
如果要在某一位写0，就在位清楚寄存器写0，其他位置 1 ，这样就对某一位写0了。
还有第三种方式，通过读取STM32中的“位带”区域。

输出模式

输出控制向右就是输出模式选择。
输出总共由三种模式，推挽，开漏或关闭。
推挽输出：
推挽输出模式下N-MOS和P-MOS均有效，输出为1时上管导通下管断开，此时直接接到VDD，输出高电平。输出为0时，下管导通上官断开，此时直接接到VSS，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叫强推输出模式。在这种模式下，STM32对IO口拥有绝对的控制权。高低电平都由STM32说了算。
开漏输出：
在开漏路输出模式下。P-MOS管是无效的，只有N-MOS在工作。数据寄存器为 1 时下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻模式。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。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开漏模式。在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰。开漏模式还可以用于输出5V的电平信号。比如在io口外接一个上拉电阻到5V的电源。此时当输出低电平时，由内部的N -MOS直接接VSS。当输出高电平时，由外部的上拉电阻拉高至5V。这样就可以输出5V的电平信号，用于兼容一些5V电平的设备。
关闭模式：
关闭模式下，两个mos管都无效，端口的电平由外部信号来控制。