02GPIO输入输出

• I/O位结构
  从左至右分别是：寄存器、驱动器、IO口的引脚
  位结构原理图
  1、整体的结构可以分为两个部分，上面是输入部分，下面是输出部分。
  2、先看输入部分，首先是I/O引脚，这里接了两个保护二极管，这个是对输入电压进行限幅的，上面的保护二极管接VDD（3.3V），下面的保护二极管接VSS（0V）。如果输入电压比3.3V高，上面的保护二极管就会导通，输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样就可以避免过高的电压对内部电路产生伤害。如果输入电压比0V还要低，这个电压是相对于VSS的电压，所以是可以有负电压的，那这时下面这个保护二极管就会导通，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。如果输入电压在0~3.3V之间，两个保护二极管均不会导通，这时二极管对电路没有影响，这就是保护二极管的用途。
  下方导通电流流向示意图
  3、这里连接了一个上拉电阻和一个下拉电阻，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。如果上面导通，下面断开，就是上拉输入模式；如果下面导通，上面断开，就是下拉输入模式；如果两个都断开，就是浮空输入模式。
   上拉和下拉的作用是为了给输入提供一个默认的输入电平的，因为对于一个数字的端口，输入不是高电平就是低电平，如果输入引脚什么都不接，这是输入就会处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易受外界的干扰而改变，为了避免引脚悬空导致的输入数据不确定，我们就需要在这里加上一个上拉电阻或下拉电阻了。如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可以称作为默认为高电平的输入模式；下拉也是同理，就是默认为低电平的输入模式。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，目的是尽量不影响正常的输入操作。
  上拉电阻和下拉电阻
  4、这里是一个肖特基触发器（施密特触发器）， 这个施密特触发器的作用就是对输入电压进行整形的，它的执行逻辑是，如果输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，输出就会瞬间降为低电平。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各种失真。如果没有施密特触发器，那很有可能因为干扰而导致误判。如果有了施密特触发器，定了如图所示的阈值上限和下限，高于上限输出高，低于下限输出低，这样下图波形的施密特触发器的输出就是，首先是低于下限，输出低；然后在点2高于上限，输出立即变为高；虽然后面信号波动再次低于上限，但是对于施密特触发器来说，只有高于上限或者低于下限，输出才会改变，所以此时低于上限的情况，输出并不会变化，而是继续维持高电平，然后直到下次低于下限时，才会转为低电平。高于下限的情况也是如此，维持稳定输出，直到下次高于上限，输出才会变成高，这就是施密特触发器的输出信号，相比较输入信号，经过整形的信号就很完美了。施密特触发器可以有效避免因信号波动造成的输出抖动现象。
  手残版波形示意图
  施密特触发器示意图
  5、经过施密特触发器整形的波形就可以直接写入输入数据寄存器了，我们再用程序读取输入数据寄存器对应的某一位的数据，就可以知道端口的输入电平了。
  流向输入数据寄存器
  6、上面的两路线路，这些就是连接到片上外设的一些端口，其中有模拟输入，这个是连接到ADC上的，因为ADC需要接收模拟量，所以这根线是接到施密特触发器前面的。另一个是复用功能输入，这个是连接到其他需要读取端口的外设上的，比如串口的输入引脚等，这根线接收的是数字量，所以在施密特触发器后面。
  片上外设
  7、再看输出部分， 数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制，两种控制方式通过这个数据选择器接到了输出控制部分，如果选择通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的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了。左边的位设置/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，而不影响其它位，因为这个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，所以如果想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话，就需要一些特殊的操作方式。第一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，在C语言中就是&=和|=的操作。这种方法比较麻烦，效率不高，对于IO口的操作而言不太合适。第二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，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样它的内部就会有电路自动将输出数据寄存器中对应位置为1，而剩下写0的位则保持不变，这样就保证了只操作其中一位而不影响其它位，并且这是一步到位的操作。如果想对某一位进行清0的操作，就在位清除寄存器的对应位写1即可，这样内部电路就会把这一位清0了，这也是位设置位清除寄存器的作用。第三种操作方式就是读写STM32中的“位带”区域，在STM32中专门分配的有一段地址区域，这段地址区域映射了RAM和外设存储器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位，这就是位带的操作方式。
  输出部分
  高16位进行位清除，低16位进行位设置，写1就是设置或者清除，写0就是不产生影响。
  对应位写1
  这个和上面的寄存器的高16位的功能是一样的，是为了方便操作设置的，如果你只想进行单一的位设置或者位清除，那么位设置时用上面的寄存器，位清除用这个寄存器，在设置和清除时，使用的都是低16位的数据，这样就方便一些。如果想对多个端口同时进行位设置和位清除，那使用上面的寄存器，可以保证位设置和位清除的同步性。
  清0
  8、接下来输出控制之后就接到了两个MOS管，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。在这里可以选择推挽、开漏或者关闭三种输出方式。
  MOS管示意图
  在推挽输出模式下，P-MOS和N-NOS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，就是输出高电平；当输出寄存器为0时，上管断开，下管导通，输出直接接到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强推输出模式，在推挽输出模式下，STM32对I/O口具有绝对的控制权，高低电平都由STM32说的算。
  上管导通，下管断开
  在开漏输出模式下，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，这时输出相当于断开，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。另外开漏模式还可以用于输出5V的电平信号，比如在I/O口外接一个上拉电阻到5V的电源，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，这就是开漏输出的主要用途。
  开漏输出，输出低电平
  关闭是当引脚配置为输入模式时，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制。

• GPIO的8种模式

  
  8种模式
  

  ADC使用模拟输入，其他时候一般用不到模拟输入。

学习资料来源-江科大自化协