GPIO概念 - 技术栈

1. 什么是GPIO

• GPIO是通用输入输出端口,是(General-purpose input output)的英文简写。是所有微控制器必不可少的外设之一，其作用是可以由STM32直接驱动从而和外界进行交互，从而实现和外界设备进行通信，控制，采集以及捕获的功能。
• GPIO口可以配置成多种工作模式，如图:

• STM32单片机中有多组GPIO口，例如:GPIOA,GPIOB等等，每组最多有16 个引脚，不同型号的单片机所拥有的GPIO口数量不同。

• STM32单片机引脚的电压为0-3.3v，部分引脚为5v。

2. GPIO的4种输出模式

• 这四种输出模式为：通用输出推挽，通用输出开漏，复用输出推挽，通用输出开漏。

• GPIO输出的结构简图:有两种方法可以控制GPIO的输出，一种是CPU，一种是其他片上外设。

• 输出高电压，还是低电压本质上是控制那个MOS管闭合，那个MOS官断开。

• 如图:

2.1 通用输出推挽和通用输出开漏的区别

2.1.1 通用输出推挽

• 简图

• 推挽:既能输出低电压也能输出高电压。在推挽输出工作模式下，P-MOS和N-MOS都工作，当输出高电压的时候，N-MOS不导通，P-MOS导通输出高电压。当输出低电压的时候，P-MOS不导通，N-MOS导通输出低电压，因此 P-MOS 和 N-MOS 是交替执行的。

2.1.2 通用输出开漏

• 简图

• 开漏输出:只能输出低电压。在开漏输出工作模式下，只有N-MOS工作，只有N-MOS导通输出低电压。就算我们要求输出高电压它也是无效的，P-MOS不会工作。

• 这是由于三极管内部的的漏极是开路的，也就是无论写1还是写0，P-MOS始终是断开的，所以vdd这一极是没有办法导通的。就算在输出寄存器里面写1，此时，N-MOS不导通，并且P-MOS也不工作，此时整个引脚上面的电流恒为 0( 无论是加多大电压 )，但是此时写1，由于这两个三极管都没法导通，在这个时候无论我们给这个引脚给多大电压，此时这个引脚是高阻抗状态(根据欧姆定律)。

• 三极管的内部图:

2.2 复用和通用的区别

• 简图

• 本质上，通用是由cpu控制，复用是由片上其他外设控制，如果片上的其他外设用到GPIO，那么外设也可以控制GPIO来进行输出。本质上就是控制权是CPU还是片上外设。

• 例如，串口发送数据那样，就要通过GPIO来发送。如图:

3. GPIO的输出速度

• 什么是GPIO的最大输出速度:向GPIO交替写0和1 并且输出不失真 ( 输出的波形是否正常 **)**的数据(有效电压)的最快速度。

• 如图:

3.1 上升时间，下降时间和保持时间的概念

• 在理想的状态，写0和写1是立刻得到的，如图:

• 就是0立刻变成1，1立刻变成0。

• 但是实际上，0变1，1变0是需要时间来慢慢变成的，如图:

•上升时间是低电压变成高电压的时间，下降时间是高电压变成低电压的，保持时间是保持有效电压(3.3v)的时间。

3.2 什么限制了GPIO的最大输出速度

• 上升时间和下降时间的长短影响了最大输出速度。其实就是写0和写1的速度，如图:

• 注:时间和速度，可不能混淆。

• 第三种已经是没法输出有效电压了。

• 速度越来越快保持有效电压的时间就越来越短。

• 例如，假如我们想保持第三种的速度，但是又不想数据失真，就可以减少上升和下降的时间，也就是让线变得陡峭。

• 如图:

3.3 F103系列的三种速度

• 如图:

• 最大输出速度如何选择

• 选取满足要求的最小值，过于陡峭的边沿会增加耗电、并引入EMI(电磁干扰)问题，如图:

4. LED闪灯

• 示例代码

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
int main(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);//开启GPIOC的时钟
    
    GPIO_InitTypeDef gpio_struct = {0};
    
    gpio_struct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    gpio_struct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    gpio_struct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    
    GPIO_Init(GPIOC,&gpio_struct);//配置GPIO
    
   while(1)
   {
        GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_RESET);//亮
        Delay(100);
        GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);//熄灭
        Delay(100);
        
    }
}

5. 输入模式

5.1 GPIO输入的结构简图

• 如图:

• 上拉和下拉电阻是提供稳定电压，如果没有这两个电阻，那么此时的引脚状态是浮空的，会受外界静电等影响，那么会使这里面的数据寄存器一会0，一会1那样，如果没有外接其他模块。

• 施密特触发器：将输入的电压值转为数值(0或者1)

• 如果外界有输入，那么3.3v还是直接输入转化为1，0v还是0。不会受到上拉或者下拉电阻影响。

• 施密特触发器的一段是没电流流过(无论是加多大的电压)，就会导致那端电阻是非常大的，当上拉电阻闭合，如果此时，没有外接其他模块或者没有输入的时候，那么由于vdd是提供3.3v电压，此时这个触发器的电阻比上拉电阻的阻值大，就会分走3.3v电压，所以此时经过触发器转换得到1，然后写入数据寄存器中。

6. 按键实验

• 示例代码

cpp 复制代码

		#include "stm32f10x.h"
		
		int main(void)
		{
		    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//开启GPIOA时钟
		    
		    GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct = {0};
		    
		    gpio_initstruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
		    gpio_initstruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
		    gpio_initstruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
		    
		    GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
		    
		    gpio_initstruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
		    gpio_initstruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
		    
		    GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
		    
		    while(1)//这个led是外接的
		    {
		        if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1) == Bit_RESET){
		            GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);//亮
		        }else {
		            GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);//灭
		        }
		    }
		}