单片机中GPIO常用的输入和输出类型

一、GPIO输出类型

1. 推挽输出（Push-Pull, PP）

• 结构：由两个互补的MOS管（P沟道和N沟道）组成，可输出高/低电平。
• 特点：
  • 高电平时输出VDD，低电平时输出GND，驱动能力强（可直接驱动小功率负载，如LED）。
  • 可双向控制，既能输出高电平也能输出低电平。
• 应用：
  • 驱动外部设备（如LED、继电器）。
  • 作为通用数字信号输出（如SPI、I2C的时钟线）。

2. 开漏输出（Open-Drain, OD）

• 结构：仅由N沟道MOS管构成，输出端需外接上拉电阻到VDD。
• 特点：
  • 只能输出低电平或高阻态（需外部上拉电阻提供高电平）。
  • 具有线与特性（多个OD输出可并联，任一输出低则总线为低）。
  • 可实现电平转换（通过调整上拉电压）。
• 应用：
  • I2C/SMBus等通信总线（需线与特性）。
  • 电平不匹配的场景（如3.3V MCU驱动5V设备）。

3. 开集输出（Open-Collector, OC）

• 结构：与OD类似，但使用三极管而非MOS管，输出端为集电极，需外接上拉电阻。
• 特点：
  • 与OD功能类似，但驱动能力和速度通常低于OD。
• 应用：
  • 与OD相同，常见于早期MCU或驱动高电压负载。

二、GPIO输入类型

1. 浮空输入（Floating Input）

• 特点：
  • 引脚无内部上拉/下拉电阻，电平由外部信号决定。
  • 未连接外部信号时，引脚电平不稳定（易受干扰）。
• 应用：
  • 外部已提供上拉/下拉电阻的场景（如按键输入）。

2. 上拉输入（Pull-Up Input）

• 特点：
  • 内部集成上拉电阻（通常为几十kΩ），无外部信号时默认高电平。
  • 输入低电平时需外部信号拉低（如按键接地）。
• 应用：
  • 按键输入（按下接地，默认高电平）。
  • 接收低电平有效信号。

3. 下拉输入（Pull-Down Input）

• 特点：
  • 内部集成下拉电阻，无外部信号时默认低电平。
  • 输入高电平时需外部信号拉高。
• 应用：
  • 接收高电平有效信号。
  • 某些通信协议的信号接收（如SPI的片选信号）。

4. 模拟输入（Analog Input）

• 特点：
  • 引脚直接连接ADC模块，不经过数字电路处理。
  • 可读取连续变化的模拟电压值。
• 应用：
  • ADC采样（如读取传感器电压、电池电量）。

三、特殊模式

1. 复用推挽/开漏输出

• 特点：
  • GPIO被复用为外设功能（如USART的TX/RX、PWM输出）。
  • 输出由外设控制，而非直接由GPIO寄存器控制。
• 应用：
  • 通信接口（如UART、SPI）。
  • PWM控制（如电机驱动）。

2. 复用输入

• 特点：
  • GPIO被复用为外设输入（如USART的RX、外部中断）。
• 应用：
  • 接收外设数据（如串口接收、ADC采样）。

四、对比总结

五、注意事项

1. 开漏/开集输出必须外接上拉电阻，否则无法输出高电平。
2. 浮空输入易受干扰，若无外部上拉/下拉，建议避免使用。
3. 引脚复用：同一引脚可能支持多种外设功能，需通过寄存器配置选择。
4. 驱动能力：推挽输出的电流需注意MCU的规格（如STM32单个GPIO最大输出25mA）。

通过以上整理，你可以清晰区分GPIO的各种输入/输出类型及其适用场景。实际开发中，需根据具体需求（如驱动负载、通信协议）选择合适的GPIO模式。