单片机的几种GPIO输入输出模型详解

模式选择汇总参考表：

模式	输出驱动	输入阻抗	默认状态	典型应用场景
推挽输出	强驱动	禁用	可配置	LED, SPI, 高速信号
开漏输出	弱驱动	禁用	低/悬空	I²C, 电平转换, 线与
浮空输入	禁用	极高	不确定	外部强驱动信号
上拉输入	禁用	中高	高电平	按键(接地型), 数字输入
下拉输入	禁用	中高	低电平	按键(接VDD型), 中断
模拟输入	禁用	极高	无	ADC, 模拟信号采集

输出模式：

1. 推挽输出 (Push-Pull)

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       VDD
        │
        ├──P-MOS◯──┐ (受控导通)
        │         │
控制逻辑─┤         ├───GPIO引脚
        │         │
        ├──N-MOS◯──┘ (受控导通)
        │
       GND

工作状态：
高电平：P-MOS导通，N-MOS截止 → 引脚=VDD
低电平：P-MOS截止，N-MOS导通 → 引脚=GND

特点：
- 双MOS管协同工作（P管拉高，N管拉低）
- 可主动输出高/低电平
- 驱动能力强（典型20mA），多个IO之间不可以直接并联，否则短路
应用：
- LED控制
- 驱动继电器
- SPI、UART通信
- 高速数字信号

2. 开漏输出 (Open-Drain)

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       VDD
        │
        ├──P-MOS ──┐ (永久禁用)
        │         │
控制逻辑─┤         ├───GPIO引脚───┬──外部上拉电阻──VDD_EXT
        │         │             │ (可选不同电压)
        ├──N-MOS◯──┘ (受控导通)  │
        │                      ▼
       GND                    GND

工作状态：
低电平：N-MOS导通 → 引脚=GND
高电平：N-MOS截止 → 引脚悬空（需外部上拉）

特点：
- 只有N-MOS工作
- 高电平依赖外部上拉
- 支持"线与"连接，即多个IO之间可以直接并联
应用：
- I²C/SMBus总线
- 电平转换（3.3V↔5V）
- 多设备中断共享
- 开关键控

输入模式：

1. 浮空输入 (Floating Input)

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       VDD
        │
        ├──P-MOS ──┐ (禁用)
        │         │
控制逻辑─┤         ├───GPIO引脚───外部信号源
        │         │
        ├──N-MOS ──┘ (禁用)
        │
       GND
        ▲
        │
  无上拉/下拉

特点：
- 完全悬空状态
- 高阻抗输入（>1MΩ）
- 易受干扰
应用：
- 外部明确驱动的信号
- ADC输入前级
- 高速数字信号接收

2. 上下拉输入 (Pull-up Input)

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       VDD
        │
        │ 内部上拉电阻(30-50kΩ)
        ├───┬──────┐
        │   │      │
        ├──P-MOS ──┤ (禁用)
        │         │
控制逻辑─┤         ├───GPIO引脚
        │         │
        ├──N-MOS ──┘ (禁用)
        │
       GND




       VDD
        │
        ├──P-MOS ──┐ (禁用)
        │         │
控制逻辑─┤         ├───GPIO引脚
        │         │
        ├──N-MOS ──┘ (禁用)
        │
       GND
        ▲
        │
  内部下拉电阻(30-50kΩ)

特点：
- 内部上拉电阻使能
- 默认高电平
- 抗干扰能力增强
应用：
- 按键检测（按键接地）
- 数字传感器输入
- 默认高有效的信号

3. 模拟输入 (Analog Input)

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       VDD
        │
        ├──P-MOS ──┐ (禁用)
        │         │
控制逻辑─┤         ├───GPIO引脚───┬──ADC输入
        │         │             │
        ├──N-MOS ──┘ (禁用)      ▼
        │                  模拟信号源
       GND

特点：
- 完全断开数字电路
- 高阻抗模式（>10MΩ）
- 无上拉/下拉
应用：
- ADC采样
- 模拟传感器接口
- 精密测量电路

实际配置示例（STM32 HAL库）：

cpp 复制代码

// 推挽输出
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

// 开漏输出（I²C）
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

// 上拉输入（按键检测）
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

// 下拉输入
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;

// 模拟输入（ADC）
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;