带你了解STM32：GPIO通用输入输出口-EW帮帮网

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口

可配置为8种输入输出模式

引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V

输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等

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、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

3.2 GPIO基本结构

3.3 GPIO位结构

输入部分：

I/O引脚，接了两个保护二极管，这个是对输入电压进行限幅，上面二极管：接VDD，3.3V，下面二极管：接VSS，0V，电压在0~3.3V之间二极管不会导通

二极管的保护作用：

如果输入电压比3.3V还要高，那上方这个二极管就会导通，输入电压产生的电流就会直接接入VDD而不会流入内部电路，这样就会避免过高的电压对内部这些电路产生伤害

如果输入电压比0V还低，这个电压是相对于VSS的电压，所以是可以有负电压的，那这个时候下方这个二极管就会导通，电流会从VSS直接流出去，而不会从内部电路汲取电流，也是可以保护内部电路的

上拉电阻和下拉电阻，上拉电阻置VDD，下拉电阻置VSS，这个开关是可以通过程序进行配置的

（弱）上拉输入模式：上面导通，下面断开，默认高电平模式

（弱）下拉输入模式：下面导通，上面断开，默认低电平模式

浮空输入模式：两个都断开，不确定电平高低

上拉和下拉的作用，为了给输入提供一个默认的输入电平

施密特触发器：

对输入电压进行整形，执行逻辑：输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平，输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平

通过施密特触发器整形波形，可以直接写入输入数据寄存器，这时用程序读取输入数据寄存器对应的某一位的数据，就能知道端口的输入

片上外设端口

模拟输入：连接到ADC上，因为ADC需要接收模拟量，所以在施密特触发器前面

复用功能输入：连接到其他需要读取端口的外设上，比如：串口的输入引脚；这根线接收的数字量，所以在施密特触发器后面

输出部分：

输出部分可以由输出数据寄存器活片上外设控制，两种控制方式通过数据选择器接到了输出部分；选择输出寄存器控制，就普通I/O口输出，写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口

位设置/清除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，所以想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话，需要一些独特的方式

第一种方法：先读出这个寄存器，然后按位与按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去，这种方式效率不高，操作麻烦

第二种方法：就是用到位设置/清除寄存器，如果要对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位写1，，不需要的操作写0，自动将输出数据寄存器对应位置1，而剩下写0的位则保持不变，这样就保证了只操作其中某一位而不影响其他位，并且这是一步到位的操作，如果，想对输出数据寄存器某一位进行清0的操作，在位清除寄存器的对应位写1

MOS管

上面是P-MOS，下面是N-MOS，这个MOS管是一种电子开关，信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将I/O口接到VDD或者VSS，可以选择推挽、开漏、关闭三种模式

推挽输出模式（强推输出模式）：P-MOS和N-MOS均有效；数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，输出高电平；数据寄存器为0时，下管导通，上管断开，输出直接接到VSS，输出低电平

开漏输出模式（只有低电平有驱动能力，高电平没有驱动能力，通信协议的驱动方式（避免各个设备的相互干扰），还可输出5V的电平信号）：P-MOS是无效，N-MOS有效；数据寄存器为1时，下管断开，这时输出想当于断开，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

关闭输出模式，P-MOS和N-MOS均无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号控制

3.4 GPIO模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式

3.4.1 浮空/上拉/下拉输入

输入模式下，输出驱动器是断开的，端口只能输入不能输出，在上拉电阻和下拉电阻进行操作，使其加入浮空/上拉/下拉输入，在施密特触发器进行波形整形后，连接到输入数据寄存器

3.4.2 模拟输入

模拟输入下，引脚直接接入片上外设，也就是ADC，将引脚配置为模拟输入就行

3.4.3 开漏/推挽输出

P-MOS无效，就是开漏输出，P-MOS和N-MOS有效，推挽输出，在输出模式下，输入模式是有效的，因为一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入

3.4.4 复用开漏/推挽输出

只由片上外设控制

3.5 LED和蜂鸣器简介

LED：发光二极管，正向通电点亮，反向通电不亮

有源蜂鸣器：内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定

无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音

3.5.1 LED和蜂鸣器的硬件电路

第一张图是低电平驱动的电路，LED正极接3.3V，负极通过一个限流电阻接到PA0上，当PA0输出低电平时，LED两端就会产生电压差，就会形成正向导通的电流，LED就会点亮，当PA0输出高电平时，没有电压差，LED就熄灭；第二张图，高电平驱动电路，PA0高电平亮，PA0低电平灭

要看I/O口高低电平的驱动能力如何，决定选择哪种方式驱动，GPIO在推挽输出模式下，高低电平均有比较强的驱动能力，这两种都可以，如果高电平驱动能力弱，不能使用第二种连接方法

第一张图是PNP三极管（PNP的三极管最好接上边）的驱动电路，三极管的左边是基极，带箭头的是发射极，剩下的是集电极，基极给低电平，三极管导通，通过3.3V和GND，就可以给蜂鸣器提供驱动电流，反之；第二张是NPN三极管（NPN的三极管最好接下边）的驱动电路，三极管的左边是基极，带箭头的是发射极，剩下的是集电极，基极给高电平导通，低电平断开

参考资料

3.6 面包板（供电区要通过跳线和中间区域连接）

3.7 LED代码

第一步：开启时钟，初始化时钟

第二步：将Delay函数加入工程，添加组，然后，魔术棒添加文件路径

第三步：写代码点亮LED

第四步：按图接线，如果要反接开漏模式，正接推挽模式，LED长线为正

3.8 LED流水灯代码

第一步：按图接线，将LED流水灯，连接到面包板上

第二步：复制LED闪烁代码，然后，改名文件夹

第三步：修改LED闪烁代码，实现LED流水灯

LED闪烁代码

LED流水灯代码

3.9 蜂鸣器代码

第一步：按图连接蜂鸣器到，面包板上，图一画圈按照图二画圈部分来接线

第二步：复制LED闪烁代码，修改实现蜂鸣器代码

LED闪烁

蜂鸣器代码

3.10 按键简介

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

按键的抖动，对于高速运行的单片机来说，5~10ms是很漫长的，所以要消抖（在按键按下和松开时，都加一个延迟函数），否则就会出现，按一次按键单片机出现反映了多次的现象

3.11 传感器模块简介

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

上下拉电阻思维理解AO端模拟电压输出（与图形结合）

当这个N1阻值变小时，下拉作用就会增强，中间的AO端的电压就会拉低（极端情况下，N1阻值为0，AO输出被完全下拉，输出为0V）；当N1阻值变大，下拉作用就会减弱，中间的引脚由于R1的上拉作用，电压就会升高（极端情况下，N1阻值无穷大，相当于断路，输出电压被R1拉高至VCC）

AO端模拟电压二值化输出，就是数字输出（与图结合）

电压比较器，当同向输入端电压大于反向输入端的电压时，输出就会瞬间升高为最大值（VCC）；反之，输出瞬间降为最小值（GND）

3.11.1 硬件电路

按键的四种接法，图一图二是下接按键的方式（一般使用这种），图三图四是上接按键的方式

图一：随便选取一个GPIO口，比如PA0，然后通过K1接地，按键按下时，PA0被直接下拉到GND，此时读取PA0口的电平就是低电平，当按键松手时PA0被悬空（电压不确定），所以这种接法下，必须要求PA0是上拉输入模式，这样按下按键，引脚低电平，松手，引脚高电平

图二：相比图一多了一个上拉电阻，PA0可以使浮空输入或者上拉输入，这样按下按键，引脚低电平，松手，引脚高电平

图三：K1接到3.3V，必须要求PA0接到下拉输入模式，这样按键按下时高电平，松手是低电平

图四：相比于图三，多了一个下拉电阻，这样按键按下时高电平，松手是低电平