GPIO（上） - LI,Yi

视频选集（5/50）[3-1] GPIO输出

参考2

1. GPIO简介

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

• 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V

  容忍5V的意思是，在输入模式下，该引脚上若施加5V的电压，也被认为是高电平；但在输出模式下，最大只能输出3.3V，因为供电只有3.3V

• 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

• GPIO框图：

  • 寄存器：一段特殊的存储器

    每个GPIO共有16个端口，但STM32的寄存器为32位。所以读写寄存器只有低16位有对应的端口，高16位保留

  • 驱动器：用来增加信号的驱动能力

2. GPIO的8种工作模式

模式名称	性质	特征
浮空输入	数字输入	可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定
上拉输入IPU	数字输入	可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平
下拉输入IPD	数字输入	可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平
模拟输入	模拟输入	GPIO无效，引脚直接接入内部ADC
开漏输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接VSS
推挽输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS
复用开漏输出	数字输出	由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS
复用推挽输出	数字输出	由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS

3. GPIO位结构

更好理解以下电路需要一些模电的知识

3.1 保护二极管

由于芯片内部电路所能承受的电压有限，因而从I/O引脚向里是两个保护二极管，当有静电等瞬间电压波动进入I/O引脚时：

注意此结构仅能抵御瞬间电压波动，若较长时间将较高的电压接入I/O口依旧会损坏芯片

• 电压大于VDD 3.3V/5V：上方的保护二极管导通，将电压引入电源，由电源网络吸收

  

• 电压小于VSS 0V：下方保护二极管导通，将电压引入GND中吸收

  

3.2 驱动器

3.2.1 输出驱动器

推挽输出：由来自芯片内部的电压驱动器件

开漏输出：本身无驱动能力，需要依靠外部的电压源来进行驱动

1. 推挽输出：P-MOS和N-MOS协同工作

   假设此时IO口接了一个工作电压为3.3V的小灯，再接地：

   • 控制IO口输出高电平：此时P-MOS激活、N-MOS关闭，VDD与I/O引脚连通

     

   • 控制IO口输出低电平：此时P-MOS关闭、N-MOS激活，VSS与I/O引脚连通

     

2. 开漏输出；只有N-MOS工作

   假设此时IO口接了一个工作电压为5V的小灯，再接地（注意需要使用能够容忍5V的引脚）：

   • 控制IO口输出高电平：N-MOS断开，整个I/O口内部处于高阻态，并不对外输出特定的电平信号（小灯不会亮起）

     

   • 控制IO口输出低电平：N-MOS激活，VSS与I/O引脚连通

     

   点亮小灯，需要将GND改为来自外部的5V：

   • 此时若输出低电平，即可形成电压差，产生电流

   

   • 输出高电平，即断开N-MOS，断路状态，小灯不会亮起

3.2.2 输入驱动器

1. 上拉输入：启用上拉电阻

   

2. 下拉输入：启用下拉电阻

   

3. 浮空输入：上下拉电阻都不启用（与开漏输出类似，依赖外部电路）

TTL肖特基触发器/施密特触发器

• 作用：稳定电平
• 外部输入的电压可能不太稳定，并不总能达到标准的0V或3.3V，因此可以规定一个参考电压，高于此电压的就算做高电平、低于此电压的就算做低电平。但如果外部电压噪声较多，导致高低电平在参考线附近快速变化，则无法准确测得当前电平 。因此确定两个参考电压，高于高参考电压为高电平，低于低参考电压为低电平，在两者之间，则维持原本的电平信号不变

4. 模拟输入：读取输入电平的具体数值（模拟信号），主要用于ADC。因此在经过施密特触发器处理前就触发该分支，将电压引入模拟输入相关的片上外设

   数字输入：上拉/下拉/浮空输入都仅读取高低电平（数字信号）

   

数字输入的不同分支可以同时读取经过施密特触发器处理过的数值；只有“模拟输入”模式会关闭数字的输入功能