GPIO是general purpose input output,即通用輸入輸出端口，作用是負責外部器件的信息和控制外部器件工作。

GPIO有如下幾個特點：1.不同型號的IO口數(shù)量不同；2，反轉(zhuǎn)快速，每次翻轉(zhuǎn)最快只需要兩個時鐘周期，以STM32F1系列為例，最快速度可達50MHz；3.每個IO口都可以做中斷。

接下來介紹GPIO的電氣特性：1.工作電壓范圍為：[2, 3.3]V ；2.識別電壓范圍(CMOS端口)：-0.3V <= VIL <= 1.164V , 1.833V <= VIH <= 3.6V；3.輸出電流單個IO口最大25mA。

下圖為GPIO的結構圖：

?GPIO的上半部分為輸入部分，下半部分為輸出部分。

接下來簡要介紹其工作流程

1.輸入：信號從IO腳輸入，經(jīng)過保護電路后進入GPIO內(nèi)部，然后進入上下拉電路（只是在輸入狀態(tài)時候設置，因此在芯片處在輸出狀態(tài)時不需要設置上下拉，比如我們的LED實驗），然后兵分兩路，上面的是模擬輸入(ADC/DAC)，下面再分為兩路，上面是復用輸入至片上外設，下面進入輸入寄存器（IDR），CPU就能讀取其中的信號獲得信息。

2.輸出：

i) 執(zhí)行機構：如果需要輸出高電平，就使PMOS管導通，從VDD接進高電平輸出3.3V，如果需要輸出低電平就使NMOS管導通將VSS（0V）導通至外部。

ii)控制機構：上面的是連接輸出寄存器（ODR），可以通過位清除寄存器（BSRR）對ODR進行讀寫，也可以直接進行讀寫操作，然后進入二選一選擇器，再進入輸出控制器。

接下來介紹幾個重要的元件：

1.保護二極管：當輸入過高的電壓（比如5V，PS:必須串聯(lián)一個電阻，不然會燒）的時候，下面的保護二極管截止，上面的保護二極管導通，因為保護二極管的壓降為0.3V，VDD為3.3V，所以實際輸入的電壓為3.6V，防止了過高的電壓輸入；如果輸入一個過低的電壓（比如-5V，同理要接電阻），上面的保護二極管截止，下面的保護二極管導通，因為VSS為0V，所以實際輸入的電壓為0.3V。

2.內(nèi)部上下拉電阻：內(nèi)部上下拉電阻值為30~50kOhm，當未接入的時候處于高阻態(tài)，電平由外部狀態(tài)控制，是非穩(wěn)定的狀態(tài)。當該器件初始狀態(tài)是高電平的時候，需要一個穩(wěn)定的高電位來維護這個狀態(tài)，于是我們選用上拉電阻（如KEY0）；當該器件的初始狀態(tài)是低電平的時候，需要一個穩(wěn)定的低電位來維護這個狀態(tài)，于是我們選用下拉電阻（如WAKE_UP_KEY）。

3.施密特觸發(fā)器：為一種整形電路，可以將非標準波整形成方波。如圖，施密特觸發(fā)器有一個正向閾值電壓和一個負向閾值電壓。當電壓高于正向閾值電壓，輸出為高電平；當電壓低于負向閾值電壓的時候，輸出為低電平；當電壓處于正向和負向閾值電壓之間的時候，輸出不改變。

?

4.P/N-MOS管：MOS管是壓控型元件，通過控制柵源電壓實現(xiàn)導通或關閉。

?G:柵極；S:源極；D:漏極

對PMOS管來說，當Vgs<0時導通，因為VDD為3.3V，所以G極必須低于3.3V，即G輸出低電平時，PMOS管才導通。

對NMOS管來說，當Vgs>0時導通，因為VDD為0V，所以G極必須高于3.3V，即G輸出高電平時，NMOS管才導通。

接下來詳細介紹八種模式分析

GPIO_MODE_INPUT：前三種都屬于

1.輸入浮空（GPIO_NOPULL）：輸入用，完全浮空，狀態(tài)不定。

上下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，模擬輸入關閉，雙MOS管不導通?？臻e時（高阻態(tài)），IO狀態(tài)不穩(wěn)定，由外部環(huán)境決定。

2.輸入上拉（GPIO_PULLUP）：輸入用，用內(nèi)部上拉，默認為高電平。

使用上拉電阻，下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，模擬輸入關閉，MOS管不導通?？臻e時，IO呈現(xiàn)高電平。

3.輸入下拉（GPIO_PULLDOWN）：輸入用，用內(nèi)部下拉，默認為低電平。

使用下拉電阻，上拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，模擬輸入關閉，MOS管不導通?？臻e時，IO呈現(xiàn)低電平。

PS：GPIO_NOPULL，GPIO_PULLUP，GPIO_PULLDOWN都是在GPIO_PULL中進行設置的。

4.模擬（復用）輸入（GPIO_MODE_AF_INPUT）：ADC/DAC

上下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器關閉，模擬輸入打開，雙MOS管不導通。專門用于模擬信號輸入。

5.開漏輸出（GPIO_MODE_OUTPUT_OD）：軟件IIC的SDL，SCL等。

上下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，PMOS管關閉，在ODR對應位寫0時，NMOS管導通，輸出低電平，寫1時不導通，不導通時為高阻態(tài)。不能輸出高電平，必須有外部上拉電阻才能輸出高電平。

6.推挽輸出（GPIO_MODE_OUTPUT_PP）：驅(qū)動能力強，25mA(MAX)，通用輸出。

上下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，ODR對應位寫0時，NMOS管導通，輸出低電平，寫1則PMOS管導通，輸出高電平?？奢敵龈叩碗娖?#xff0c;驅(qū)動能力強。

7.開漏復用輸出（GPIO_MODE_AF_OD）：片上外設（軟件IIC的SDL，SCL等）

上下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，PMOS管關閉，在外設復用輸出寫0時，NMOS管導通，寫1時不導通，不導通時為高阻態(tài)。不能輸出高電平，必須有外部上拉電阻才能輸出高電平。

8.推挽復用輸出（GPIO_MODE_AF_PP）：片上外設（SPI的SCK,MISO,MOSI等）

上下拉電阻關閉，施密特觸發(fā)器打開，外設復用功能寫0時，NMOS管導通，輸出低電平，寫1則PMOS管導通，輸出高電平?？奢敵龈叩碗娖?#xff0c;驅(qū)動能力強。

至此，對GPIO的簡單介紹就完成了。