一、GPIO简介
什么是GPIO
GPIO即通用输入输出端口，全称General Purpose Input Output，是控制或者采集外部器件的信息的外设，即负责输入输出。
它按组分配存在，每组最多16个IO口，组数视芯片而定。比如STM32F407ZGT6是144脚的芯片，其IO口共分为7组，分别是GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，其中共有112个IO口可供我们编程使用。
IO口电平兼容问题：
凡是有FT标志的，都是兼容5V电平的IO口，可以直接接5V；凡是不带FT标志的，不要接5V；
注意：如果引脚设置的是模拟输入模式，则不能接5V！具体可详见STM32F407ZG的数据手册（表5 大容量STM32F40xxx引脚定义）；
GPIO的基本结构
如上图所示，可以看到右边只有I/O引脚，这个I/O引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其他部分都是GPIO的内部结构。
++++①++++ ++++保护二极管++++
保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。
当引脚输入电压高于VDD时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于VSS时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路
++++②++++ ++++上拉、下拉电阻++++
它们阻值大概在30~50KΩ之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。
当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。
引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，STM32的内部上拉是一种"弱上拉"，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。
++③施密特触发器++
对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向 阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。
施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开回路配置中用于抗扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。
++++④P-MOS++++ ++++管和++++ ++++N-MOS++++ ++++管++++
这个结构控制GPIO的开漏输出 和推挽输出两种模式。
开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。
推挽输出：这两只对称的MOS管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。
输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。
GPIO的工作模式
1、输入浮空
输入浮空模式：上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。
输入浮空模式下，IO口的电平完全是由外部电路决定。如果IO引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。该模式可以用于按键检测等场景。
下图为输入浮空模式时，IO口的工作原理，
2、输入上拉
输入上拉模式：上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是"弱上拉"，不适合做电流型驱动。
下图为输入上拉模式时，IO口的工作原理，
3、输入下拉
输入下拉模式：下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。
下图为输入下拉模式时，IO口的工作原理，
4、模拟功能
模拟功能：上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双MOS管也关闭。
该模式用于ADC采集或者DAC输出，或者低功耗下省电。
下图为模拟功能时，IO口的工作原理，
5、开漏输出
开漏输出模式：STM32的开漏输出模式是数字电路输出的一种，从结果上看它只能输出低电平Vss或者高阻态（非高非低）。
在开漏输出模式下，施密特触发器是打开的，所以IO口引脚的电平状态会被采集到输入数据寄存器中，如果对输入数据寄存器进行读访问可以得到IO口的状态。也就是说开漏输出模式下，我们可以对IO口进行读数据。用于IIC的SDA和SCL。
下图为开漏输出时，IO口的工作原理，
6、推挽输出
推挽输出模式：STM32的推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平VSS或者高电平VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式P-MOS管和N-MOS管都用上。推挽输出模式下，P-MOS管和N-MOS管同一时间只能有一个MOS管是导通的。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大的提高。
在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取IO口的电平状态。
由于推挽输出模式输出高电平时，是直接连接VDD，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达25mA。该模式也是最常用的输出模式。
下图为推挽输出时，IO口的工作原理，
7、开漏式复用功能
开漏式复用功能：一个IO口可以是通用的IO口功能，也可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是IO口的复用功能。
一个IO口还可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择其中一个外设的功能引脚时，便用到此功能。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。
在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取IO口的电平状态，同时外设可以读取IO口的信息。
下图为开漏式复用功能时，IO口的工作原理，
8、推挽式复用功能
推挽式复用功能：与开漏式复用功能类似，结构分析请参考推挽输出模式，这里不再赘述。
下图为推挽式复用功能时，IO口的工作原理，
二、GPIO相关寄存器
STM32F4每组（A～I）通用GPIO口有7个32位寄存器（9*7），包括：
4 个 32 位++++配置寄存器++++（MODER、OTYPER、OSPEEDR 和 PUPDR）
2 个 32 位++++数据寄存器++++（IDR 和 ODR）
1 个 32 位++++置位/复位寄存器++++ （BSRR）
1 个 32 位++++锁定寄存器++++ （LCKR）
2 个 32 位++++复用功能选择寄存器++++（AFRH 和 AFRL）
上述关于寄存器的描述在STM32F4xx的参考手册中有详细叙述，本文不再叙述。
三、相关函数
1、HAL_GPIO_Init()
void HAL_GPIO_Init(++GPIO_TypeDef *GPIOx++ , ++GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init++);
⚫ 函数描述
该函数用于配置 GPIO 功能模式，还可以设置 EXTI 功能。
⚫ 函数形参
**形参 1 （++GPIO_TypeDef *GPIOx++）**是端口号，可选 GPIOA~GPIOK。
**形参 2 （++GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init++）**是 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体变量，其定义如下
typedef struct
{
uint32_t Pin; /* 引脚号 */
uint32_t Mode; /* 模式设置 */
uint32_t Pull; /* 上拉下拉设置 */
uint32_t Speed; /* 速度设置 */
uint32_t Alternate; /* 复用功能 */
} GPIO_InitTypeDef;
++成员 Pin++ 表示引脚号，可选：GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15，另外还有 GPIO_PIN_All 和 GPIO_PIN_MASK 可选；
++成员 Mode++ 是 GPIO 的模式选择，有以下选择，
#define GPIO_MODE_INPUT (0x00000000U) /* 输入模式 */
#define GPIO_MODE_OUTPUT_PP (0x00000001U) /* 推挽输出 */
#define GPIO_MODE_OUTPUT_OD (0x00000011U) /* 开漏输出 */
#define GPIO_MODE_AF_PP (0x00000002U) /* 推挽式复用 */
#define GPIO_MODE_AF_OD (0x00000012U) /* 开漏式复用 */
#define GPIO_MODE_AF_INPUT GPIO_MODE_INPUT
#define GPIO_MODE_ANALOG (0x00000003U) /* 模拟模式 */
#define GPIO_MODE_IT_RISING (0x11110000U) /* 外部中断,上升沿触发检测 */
#define GPIO_MODE_IT_FALLING (0x11210000U) /* 外部中断,下降沿触发检测 */
/* 外部中断，上升和下降双沿触发检测 */
#define GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING (0x11310000U)
#define GPIO_MODE_EVT_RISING (0x11120000U) /* 外部事件,上升沿触发检测 */
#define GPIO_MODE_EVT_FALLING (0x11220000U) /* 外部事件,下降沿触发检测 */
/* 外部事件，上升和下降双沿触发检测 */
#define GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING (0x11320000U)
++成员 Pull++ 用于配置上下拉电阻，有以下选择，
#define GPIO_NOPULL (0x00000000U) /* 无上下拉 */
#define GPIO_PULLUP (0x00000001U) /* 上拉 */
#define GPIO_PULLDOWN (0x00000002U) /* 下拉 */
++++成员 Speed++++ 用于配置GPIO的速度，有以下选择，
#define GPIO_SPEED_FREQ_LOW (0x00000002U) /* 低速 */
#define GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM (0x00000001U) /* 中速 */
#define GPIO_SPEED_FREQ_HIGH (0x00000003U) /* 高速 */
++++成员 Alternate++++ 用于配置具体的复用功能。不同的 GPIO 口可以复用的功能不同，具体可参考数据手册《STM32F407ZGT6.pdf》。复用功能的选择在 stm32f4xx_hal_gpio_ex.h 文件里进行了定义，后面具体用到，再进行介绍。
2、HAL_GPIO_WritePin()
void HAL_GPIO_WritePin(++GPIO_TypeDef *GPIOx++ , ++uint16_t GPIO_Pin++,
++GPIO_PinState PinState++);
⚫ 函数描述
该函数用于配置引脚输出高电平或低电平。
⚫ 函数形参
**形参 1 （++GPIO_TypeDef *GPIOx++）**是端口号，可选 GPIOA~GPIOG。
**形参 2 （++uint16_t GPIO_Pin++）**是引脚号，可选 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。
**形参 3 （++GPIO_PinState PinState++）**是要设置输出的状态，可选：GPIO_PIN_SET 表示高电平， GPIO_PIN_RESET 表示低电平。
3、HAL_GPIO_TogglePin()
void HAL_GPIO_TogglePin(++GPIO_TypeDef *GPIOx++ , ++uint16_t GPIO_Pin++);
⚫ 函数描述
该函数用于设置引脚的电平翻转。
⚫ 函数形参
**形参 1 （++GPIO_TypeDef *GPIOx++）**是端口号，可选 GPIOA~GPIOG。
**形参 2 （++uint16_t GPIO_Pin++）**是引脚号，可选 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。
#注意：
实际上，GPIO根据所需功能不同，有不同的函数与之对应，本文中只介绍了三个（其他函数的介绍可详见STM32F4xx参考手册）。对于其他GPIO相关的函数将在其他文章中结合具体应用介绍。
四、总结
本文重点叙述了GPIO的相关知识，包括GPIO的基本结构、工作模式、相关寄存器、相关函数。本文旨在呈现GPIO的基本概念，GPIO的具体应用将在其他文章重点叙述。