GPIO ——从端口位电路到八种工作模式

暖焰核心2026-09-19 9:57

Ciallo(∠・ω< )⌒☆

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引言

数完 STM32F103ZET6 的引脚之后，我心里还留着一个问题。

144 个引脚，去掉电源、复位、晶振、启动模式这些功能固定的，剩下 112 个可以随便编程的，分成 PA 到 PG 七组，每组 16 个。名字怎么来的、编号怎么数，前面已经理清了。

但引脚本身到底是个什么东西？

同一个引脚，接上 LED 就能点亮它，接上按键就能读它按没按；改个配置，它又能挂到串口上收发数据。芯片里面拿什么在支撑这种"什么都能干"？为什么它既可以被程序写，又可以被程序读？

我原以为这大概是常识，翻了两页手册才发现里面有一整套电路：保护二极管、上拉下拉电阻、触发器、两个 MOS 管。看起来最"入门"的 GPIO，内部结构其实相当完整。

一、GPIO 的定位

GPIO 是 General Purpose Input/Output 的缩写，中文叫"通用输入输出"。这两个词分别对应两个问题：输入输出的是什么，以及为什么叫"通用"。

输入输出的内容

引脚上能有的东西就那么两种：高电平或者低电平。上层语言把它看成 0 和 1，下层硬件把它当成控制外设的手段。

输出高电平，LED 会理解成"点亮"，电机会理解成"正转"，串口对面的接收方会理解成"送来一个 1"。输出低电平则相反。

输入是另一回事。单片机的本职是"控制"，要控制外设，前提是先知道外设的状态：开关合上没有、传感器有没有读到变化、设备是不是在休眠。这些信息从引脚上读回来，程序再决定下一步做什么。

所以高低电平只是手段，获取外设信息、控制外设才是目的。

"通用"两个字的来处

"通用"的意思是这东西造出来就是给"大家"用的，跟英语被叫做世界通用语言是一个道理：英国人说，美国人也说，中国人还说。

GPIO 也是。它自己能输入输出高低电平，可 MCU（Microcontroller Unit，微控制器）里面还集成了一堆其他外设控制器：ADC、DAC、USART、TIM、I2C、SPI 等等。这些缩写现在不用记全，知道它们各管一摊事就够了：ADC 和 DAC 管模拟量，USART 管串口通信，TIM 管定时，I2C 和 SPI 是两种芯片之间常用的通信总线。它们要控制外设，同样得输出高低电平。难道给每个控制器都单独焊一套输入输出电路？

那样做，芯片内部的复杂度、成本和功耗都会往上走。既然 GPIO 已经把输入输出这件事做了，其他外设控制器直接用就行。这就是"通用"的由来，也是后面会反复出现的"复用 GPIO"这个概念。

MCU 与 CPU 的关系

要把上面这层关系看明白，得先纠正一个容易混的地方：MCU 不等于 CPU。

CPU 只是 MCU 里面的一部分。以 Cortex-M3 为内核的 MCU，内部大致分三层：

text 复制代码 
+-----------------------------------------------------------+
|                         MCU 内部                          |
|                                                           |
|   +----------------+              +-------------------+   |
|   |    ARM-CPU     |    总线连接  |   片上外设控制器  |   |
|   |   Cortex-M3    |<------------>|  ADC  DAC  USART  |   |
|   +-------+--------+              |  TIM  I2C  SPI    |   |
|           |                       +---------+---------+   |
|           | 直接控制 GPIO                   | 复用 GPIO   |
|           v                                 v             |
|   +---------------------------------------------------+   |
|   |                       GPIO                        |   |
|   +-------------------------+-------------------------+   |
+-----------------------------|-----------------------------+
                              | 输入 / 输出高低电平
                              v
                     +------------------+
                     |     板级外设     |
                     |  LED 按键 传感器 |
                     +------------------+

这三层可以拿古代的朝廷打个比方。ARM-CPU 是坐在上面的决策者，负责下命令；片上外设控制器是各个衙门，把事情管起来、把命令转成动作；板级外设是地方上真正干活的，灯亮、电机转、按键弹起来，都发生在这一层。

顺带说清一个容易含糊的地方：严格讲 GPIO 自己也是一个片上外设，参考手册里它单独占一章。它的特殊之处在于不只给 CPU 用，还是别的片上外设对外进出的那条公共通道，所以这里把它单独画在下面一层。

这个比方里有个关键点：GPIO 被设计出来，不是只给 CPU 读写用的 。所有片上外设都要借它的手出去，所以芯片上一大半引脚都是 GPIO 引脚。这也是学单片机要从 GPIO 开始的原因，它是整个片上外设体系的出入口。

明白了这一层，前面那个问题就顺了一半：GPIO 之所以要有这么多工作模式，是因为用它的"人"实在太多。每个外设的场景都不一样，GPIO 只能把功能做得足够丰富，让大家都挑得着。就像键盘，只打游戏的话 WASD 几个键就够，但键盘不能只有 WASD，因为它还要被拿来写文档、写代码、聊天。

二、引脚与端口

引脚、针脚、管脚

对 GPIO 最直接的印象就是芯片外面那一圈金属针脚。这颗芯片用的是 LQFP144 封装（LQFP 是 Low-profile Quad Flat Package，薄型方形扁平封装，144 是引脚数）。下面这张是它的引脚分布图，标成红色的 PAx 到 PGx 就是 GPIO 引脚：

下面这张是这颗芯片的实拍照片：

两相对照，图上的位置和实物上的针脚是一一对应的。针脚、引脚、管脚是同一个概念，都指这些金属针脚。数一数就能看出来，芯片四周这一圈绝大多数都是 GPIO 引脚。

按键与 LED 两个例子

一根 GPIO 引脚在功能上只有两种工作方式，输入或者输出。用两个最简单的例子就能说明白。

按键是输入。按键一端接引脚，另一端接 GND（地）；同时引脚还要通过一个电阻接到 VDD（电源正极），这个电阻的作用是把引脚平时拉到高电平。

按键没按下去的时候，引脚和 GND 之间是断开的，引脚被电阻拉在 VDD 上，读到的就是高电平；按下去，引脚直接接通 GND，读到的就是低电平。

text 复制代码 
        VDD
         |
      [上拉电阻]        <- 按键没按下时，引脚被拉到 VDD，读到高电平
         |
         +--------------------------- 引脚 PA0
         |
      [按键]            <- 按下时，引脚接地，读到低电平
         |
        GND

LED 是输出。LED 阳极（长脚）接 VDD，阴极接到引脚上。引脚输出低电平，电流从 VDD 经 LED 流进引脚，灯亮；引脚输出高电平，LED 两端电压一样、没有压差，就没有电流，灯灭。

text 复制代码 
        VDD
         |
      [ LED ]           <- 阳极接 VDD，阴极接引脚
         |
         +--------------------------- 引脚 PA1
                                      MCU 内部（输出电平）

LED 这盏灯要的是低电平，所以"输出高"反倒让它灭了。引脚输出什么，跟外设要什么，是两件事。

Port 与 Pin 的层级

引脚在外面是一根一根的，到了芯片内部，MCU 得把它们管起来。管理方式是分组的：每 16 个引脚算一组，叫做一个 GPIO Port （端口）。STM32F103ZET6 一共 7 组，GPIOA 到 GPIOG。

以 GPIOA 为例，它管着 PA0 到 PA15 共 16 个引脚，每个引脚在组里有个序号：

组内序号 外部物理引脚名
0 PA0
1 PA1
... ...
15 PA15

程序里要指定某一根引脚，用的就是这个组内序号，也就是"这一组的第几位"。外面叫 PA3，内部就是 GPIOA 的第 3 位。

层层往下看，是个多叉树的形状：

text 复制代码 
GPIO 控制器
 |-- GPIOA  ---+-- Pin 0  -> PA0
 |             +-- Pin 1  -> PA1
 |             +-- ...
 |             +-- Pin 15 -> PA15
 |
 |-- GPIOB  ---+-- Pin 0  -> PB0
 |             +-- ...
 |
 |-- ...
 |
 |-- GPIOG  ---+-- Pin 0  -> PG0
               +-- ...

这里有个细节值得停一下：为什么不叫 GPIO Group，而叫 GPIO Port？

Group 只能表达"分组"。而 Port 这个词本义是"港口"，在计算机领域引申成"数据交换的入口或出口"。一组 GPIO 引脚在一起，本质是芯片和外部世界交换数据的一道口子，用 Port 比用 Group 准确。

引脚在内部的一套电路

到这里，引脚"可见"的部分算是看完了。真正要研究的是：一根引脚在芯片内部，究竟靠什么完成输入输出。

下图是 GPIO 端口位的基本结构，所谓"端口位"就是端口里的单个引脚，比如 PA0、PB3：

这张图要慢慢看，它也是后面所有内容的落脚点。先记住两条：

第一，每一个引脚在内部都有一套这样的电路 。做 16 套就是一组，做 112 套就是全部的 GPIO。反过来说，只要搞清楚一个引脚怎么工作，其余的都通了。

第二，这张图逻辑上分成两部分：上面是输入路径，下面是输出路径。看的时候记住四个字------上 I 下 O，就不会在里面绕晕。

图右边那两个"保护二极管"是电路的最外层，紧贴着引脚。下一节细嗦。

三、端口保护电路

保护电路的位置

回看端口位结构图的右端：紧挨着 I/O 引脚的地方，上下各画了一个二极管，标注是"保护二极管"。这两个管子组成了 I/O 端口最外面的一道墙。

先把二极管本身说清楚。它是一种单向导电的元件，只允许电流从正极（阳极）流向负极（阴极），反方向阻断。电流的产生需要电压差，有了压差，二极管才会导通。导通的时候它自己也承压，这个压降通常在 0.6 V 到 0.7 V 之间。[1](#1)

双二极管钳位

两个二极管的接法是固定的：上面那个，阳极靠引脚一侧、阴极接 VDD；下面那个反过来，阳极接 VSS（电源负极，也就是前面说的 GND）、阴极靠引脚一侧。

  • 上路二极管的阴极接 VDD，意思是它只有在一个条件下才会导通：引脚上的电压比 VDD 还高出 0.7 V 以上。一旦满足，它导通，多余的电压被导走，引脚电压被按住，停在 VDD + 0.7 V 附近。
  • 下路二极管阳极接 VSS，它导通的条件是引脚电压比 VSS 还低 0.7 V 以上，导通后引脚电压被按住，停在 VSS − 0.7 V 附近。
  • 中间那一段谁都不导通，引脚爱是什么电压就是什么电压。

按 VDD = 3.3 V、VSS = 0 V、二极管压降 0.7 V 代入，三个区间是这样：

引脚电压 哪个二极管导通 结果
低于 −0.7 V 下路 电压被钳到 −0.7 V 附近，不再往下掉
−0.7 V ～ 4.0 V 两个都不导通 正常输入，引脚电压是多少就是多少
高于 4.0 V 上路 电压被钳到 4.0 V 附近，不再往上冲

这种接法的学名叫双二极管钳位电路 ，作用是防止不合理的电压进入芯片。如果没有它，一个远超 VDD 的电压接上引脚，会在芯片内部形成很大的电流，把里面的元器件击穿。

什么情况下会超范围

正常接线的时候引脚电压不会越界，越界往往来自一个想不到的地方：静电。

手上有静电的时候去碰芯片的针脚，瞬间电压可以到几千伏。具体的量级不用记，关键是从这个量级就能看出来，为什么手册里会专门写"不要用手去摸针脚"。

不过也不用把这件事看得太严重。偶尔一次超范围的电压进来，不一定就会击穿器件；真正危险的是持续的超范围电压。还有一点值得一提：电压的正负是人规定出来的，真正决定一切的始终是压差，别被符号绕进去。

四、八种工作模式

八种模式的全貌

GPIO 要负责输入和输出，而输入输出在具体场景里又各不相同，于是就有了下面八种模式：

方向 模式 说明
输出 通用推挽输出 CPU 直接控制，能输出高电平也能输出低电平
输出 通用开漏输出 CPU 直接控制，只能输出低电平和高阻抗
输出 复用推挽输出 片上外设控制，能输出高电平也能输出低电平
输出 复用开漏输出 片上外设控制，只能输出低电平和高阻抗
输入 上拉输入 内部接上拉电阻，悬空时读到 1
输入 下拉输入 内部接下拉电阻，悬空时读到 0
输入 浮空输入 内部两个电阻都断开，电平由外部决定
输入 模拟输入 直通，不做整形，交给 ADC、DAC 这类外设

四种输出模式是"通用 / 复用"和"推挽 / 开漏"两个维度的组合：

推挽 开漏
通用 通用推挽输出 通用开漏输出
复用 复用推挽输出 复用开漏输出

通用与复用的分界

第一节说过这对词，这里给个准确的说法。

通用 就是通常使用，指的是由 ARM-CPU 直接控制 GPIO 输出。程序往数据寄存器里写什么，引脚上就出现什么。

复用 是重复使用的意思，指的是 MCU 内部的片上外设借 GPIO 来做输入输出。比如串口要发数据，它不会自己接一根线出来，而是把这个任务交给某个引脚，由串口控制器去驱动。

一句话区分：看谁在控制这根引脚。CPU 直接控制是通用，片上外设接管是复用。

至于为什么要这么多模式，第一节已经交代过了：GPIO 是给所有片上外设共用的，每个外设的场景都不一样，模式多才能覆盖得住。

五、输出驱动器的构成

输出部分的边界

研究输出模式之前，先把要研究的范围圈出来。下面是端口位结构图里属于输出的那一部分：

!\[STM32/attachments/GPIO输出部分结构框图.png\|从端口位结构图中框出的输出部分，右侧是驱动引脚的 P-MOS 与 N-MOS]

从左往右看这块电路，一共四样东西：左边是输出数据寄存器和"来自片上外设"的复用功能输出，中间是复用器和输出控制，右边是 P-MOS 和 N-MOS 两只管子，最后接到引脚上。

复用器与输出控制

复用器的名字来自"复用"，它的工作是从多组输入信号里选一个作为有效输入。

为什么要有它？因为 GPIO 到底归 CPU 用还是归片上外设用，得有人说了算。复用器就是那个做决定的：选数据寄存器，这根引脚就归 CPU；选复用功能输出，就归片上外设。

输出控制 接在复用器后面，负责把选中的信号送到 MOS 管的栅极。它做的是"力气的转换"：内部逻辑电平本身很弱，驱动不了外面的负载，输出控制把它变成有足够驱动能力的电平，去控制管子的通断。

P-MOS 与 N-MOS

要理解输出，核心在最后这两只管子上。

MOS 是 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写，也写作 MOSFET。前面带 P 的是 P 沟道，带 N 的是 N 沟道。P 取自 positive（正向的），N 取自 negative（反向的）。

这两种管子的符号长这样：

不管是 P 还是 N，都有三个极：

  • S ：Source，源极。载流子的来源。
  • D ：Drain，漏极。载流子从这里流出器件，它是一个电流路过的地方，不是终点。
  • G ：Gate，栅极。Gate 本意是"门"，开关的开启和关闭由它控制。

记住一句就够用：S 和 D 之间是电流要走的路，G 是控制这条路通不通的开关。实际接法上，S 和 D 会分别接到电源或者地，G 接控制电路。

至于"P"和"N"怎么区分，从电流方向上有个直观的分法：被控制的电流从 S 流向 D，就是 P 型；从 D 流向 S，就是 N 型。这跟 P 的"顺势而为"、N 的"逆水行舟"是一套说法，先当口诀记着。

而它们最本质的一点是：这是一个开关。不是放大器，不是别的东西，就是一个可以用小电压去控制的开关，最终目的是用很小的能量去控制大电流。

两只管子的接法

在 GPIO 的输出电路里，P-MOS 和 N-MOS 的接法是固定的：

text 复制代码 
        VDD (3.3V)
             |
             S
          [P-MOS]
             D
             |
             +------------------> I/O 引脚   <- 两只管子的 D 极在这里相接
             |
             D
          [N-MOS]
             S
            GND
  • P-MOS 在上面 ，S 极接 VDD。
  • N-MOS 在下面 ，S 极接 GND（也就是 VSS，看成 0 V）。
  • 两只管子的 D 极接在一起，接出去就是引脚。

这个"上 P 下 N、D 极相接"的形状，是整个输出部分的骨架。接下来讲的推挽和开漏，都只是围着这两只管子做加减法。

简化之后的输出电路

为了后文说得清楚，把前面那些寄存器、复用器、输出控制先收起来，只留最要紧的部分：

text 复制代码 
        VDD
         |
      [P-MOS]  <- 闭合则引脚接 VDD
         |
         +------------------> I/O 引脚
         |
      [N-MOS]  <- 闭合则引脚接 GND
         |
        GND

后面再看推挽和开漏，就只盯着"输出控制让哪只管子闭合"这一点。

六、通用推挽输出

两只管子交替工作

输出模式里最直观的是通用推挽输出（Push-Pull Output），它的核心思想就一句话：交替闭合和断开 P-MOS 与 N-MOS。

text 复制代码 
输出数据寄存器写 1：闭合 P-MOS，断开 N-MOS

        VDD
         |
      [P-MOS]  <- 闭合
         |
         +------------------> I/O 引脚 = 高电平（通过 P-MOS 接上 VDD）
         |
      [N-MOS]  <- 断开
         |
        GND


输出数据寄存器写 0：断开 P-MOS，闭合 N-MOS

        VDD
         |
      [P-MOS]  <- 断开
         |
         +------------------> I/O 引脚 = 低电平（通过 N-MOS 接地）
         |
      [N-MOS]  <- 闭合
         |
        GND

引脚要么接在 VDD 上，要么接在 GND 上。接 VDD 就是高电平，接 GND 就是低电平，中间没有第三种状态。

"推挽"的命名来处

名字来自这两只管子干活的方式。

输出高电平时，P-MOS 把引脚接到 VDD，电流从芯片里"推"出去（提供电流）；输出低电平时，N-MOS 把引脚接到 GND，电流从外面"挽"进来（吸收电流）。一推一挽，所以叫推挽。

一个不能出现的情况

看到这里可能会冒出一个念头：要是两只管子同时导通呢？

那就是 VDD 和 GND 直接连起来，中间只剩两只几乎不承压的管子，电流会大到烧掉电路。所以输出控制单元有一条硬要求：保证两只 MOS 管永远不同时导通。这条在电路里靠逻辑设计保证，程序不需要操心。

导通条件

MOS 管要导通，栅极得加上足够的电压。这个门槛叫导通阈值电压 Vth（Voltage Threshold），一般零点几伏。判断条件是看源极和栅极之间的电压差够不够大，跟漏极无关：

  • P-MOS：Vs − Vg 超过 Vth，就导通；否则断开。
  • N-MOS：Vg − Vs 超过 Vth，就导通；否则断开。

具体数值不用记，记住方向就行：P-MOS 是源极电压高于栅极，N-MOS 是栅极电压高于源极。这也解释了前面那个口诀，P 管顺着 S 到 D 的方向走，N 管逆着来。

顺带记一个量级：MOS 管的开关速度可以到纳秒级。这也是它能用来做数字电路的原因。

所以程序往输出数据寄存器写 1 还是写 0，本质是让输出控制去挑 P-MOS 还是 N-MOS，最终决定引脚接 VDD 还是接 GND。

七、通用开漏输出

开漏输出的构成

通用开漏输出（Open-Drain Output）的思路跟推挽反着来：不要 P-MOS 了，让它永远关闭，只留 N-MOS。

只留一只管子，事情就简单了，也不用再考虑"两只同时导通"的问题。但代价是能力少了一半。

text 复制代码 
输出数据寄存器写 0：闭合 N-MOS，引脚接地

        VDD
         |
      P-MOS 永远断开
         |
         +------------------> I/O 引脚 = 低电平
         |
      [N-MOS]  <- 闭合
         |
        GND


输出数据寄存器写 1：断开 N-MOS，内部与引脚断开

        VDD
         |
      P-MOS 永远断开
         |
         +------------------> I/O 引脚 = 高阻抗
         |
      [N-MOS]  <- 断开
         |
        GND

先记住这个结论，后面用得到：

  • 向输出数据寄存器写 0，表示 N-MOS 闭合，引脚输出低电平。
  • 向输出数据寄存器写 1，表示 N-MOS 断开，引脚输出高阻抗。

换成一句话：开漏模式只能输出低电平和高阻抗，想要高电平得靠外部。

高阻抗的含义

"高阻抗"这个说法有点抽象，换个大白话的解释：MCU 内部和外部引脚彻底断开了，相当于开路 ，或者说 N-MOS 的漏极和外部引脚互相悬空了。

对引脚来说，既然内部已经断开了连接，那此刻的 MCU 就可以看成一个阻值无穷大的设备。阻值无穷大，我们就说它输出高阻抗。

"开漏"的命名来处

开漏的全称是漏极开路输出 。名字的来源很直白：P-MOS 被拿掉之后，N-MOS 的 D 漏极就相当于什么都没接，是"开路"的状态，所以叫漏极开路，简称开漏。

这里有个容易想岔的地方：不要把引脚当成一个设备，引脚就是 D 漏极那根线的延伸 。推挽输出里 P-MOS 和 N-MOS 互为对方漏极接的设备，所以不算开漏；开漏里没有这个"对方"，管子外面是空的。

高电平的外部来源

现在问题来了：开漏模式只能输出低电平和高阻抗，那高电平怎么办？

办法是在引脚外面接一个上拉电阻，把引脚拉到另一个电源上。

这个电阻为什么不能做在芯片里？参考手册给了直接的答案：端口配置成输出之后，内部的弱上拉和弱下拉都被禁止，所以输出模式下的上拉只能在外部加。至于加多大、拉到哪个电源上，取决于外部设备需要什么电压，得由开发板的设计者决定。

text 复制代码 
        VDD (3.3V)
          |
       [上拉电阻]        <- 这个电阻在芯片外面，由开发板设计者决定
          |
          +-----------+ I/O 引脚
          |
      N-MOS 断开时：引脚被外部电阻拉到 VDD，输出高电平
      N-MOS 闭合时：引脚直接接地，输出低电平

加上这个电阻之后，开漏模式也能输出高低电平了：N-MOS 闭合时接地，输出低电平；N-MOS 断开时引脚被外部电阻拉上去，输出高电平。

高阻抗之后的引脚电压

这一步很多人是"记住结论"跳过去的，但它其实可以用高中物理讲明白。

先说一个常识：在一个电路回路里，电压会被各个元器件承接，电阻值越高的元器件，承压越多。

为了方便算，把图上的几个电阻起个名字：外部上拉电阻记作 R_PULL；引脚本身记作 R1，它其实就是一根导线，阻值无限趋近 0；N-MOS 断开的位置记作 R2，阻值是无穷大。

然后请出欧姆定律 V = I × R。这里把 N-MOS 断开的位置当成一个阻值无穷大的电阻，这样从 VDD 到 GND 就成了一条串着三个电阻的通路：

  • 整个回路的电流 I = 3.3 V ÷ (R_PULL + R1 + R2)。因为 R2 接近于无穷大，所以 I 约等于 0。
  • 引脚处的电压 = 3.3 V 减去上拉电阻上承掉的那部分 = 3.3 V − I × R_PULL。
  • I 约等于 0，所以 3.3 V − 0 × R_PULL = 3.3 V。

引脚处就是 3.3 V，输出高电平。

但这个推导里藏着一个坑。既然开路，就没有电流，I = 0，那按 V = I × R 算，整个电路里都不该有电压，引脚处也不该有。跟上面的结论对不上。

问题出在对欧姆定律的理解上。一块裸露的电池什么都不接，它自己就是开路的，正极有没有电压？当然有。水龙头不打开，管子里照样有水压。

电压的本质是两端的电势差，开路的状态下它依然存在 。欧姆定律算出来的那个电压，是某个元器件在整个回路里承担的电压差，也就是电流经过它之后电压下降了多少，不是某一处的绝对电压。

假设一个回路上串三个电阻，电源 10 V，电阻分别是 2 欧、3 欧、5 欧：

text 复制代码 
      VDD ---- [ R1 ] ---- [ R2 ] ---- [ R3 ] ---- GND
       10V      2欧          3欧          5欧

   回路电流  I  = 10V / (2 + 3 + 5) = 1A
   R1 承压       = 1A x 2欧 = 2V
   R2 承压       = 1A x 3欧 = 3V
   R3 承压       = 1A x 5欧 = 5V

R1 承担了 2 V，意思是电流流过 R1 之后，电压从 10 V 掉到 8 V。所以要知道 R1 右边那一点的电压是多少，就是 10 V 减去 2 V，等于 8 V。导线本身不承压，所以 R1 右边的电压就等于 R2 左边的电压。

回到开漏加上拉电阻那张图，R2 无穷大、电流约为 0、上拉电阻上什么都不承，引脚处自然就是 3.3 V。

上拉电阻的另一半作用

上拉电阻不只是为了输出高电平，它还管着另一件事：N-MOS 闭合、引脚接地的时候。

如果外部没有任何电阻限流，引脚一接地，就会从外面灌进来一股不受控制的大电流。串上这个电阻之后，电流被限制在一个合理范围里。所以这个电阻同时承担了"拉高电平"和"限流"两个职责。

至于"上拉"这个名字，说的是它的工作方式：引脚的高电平是被外部电阻加上高电压拉起来的，所以叫上拉电阻。阻值一般取 4.7 kΩ 到 10 kΩ。

八、复用推挽与复用开漏

前面两节讲的都是"通用"，控制权在 CPU 手里。剩下两种输出模式（复用推挽输出、复用开漏输出）只在一处不同：控制权交给了片上外设。

具体来说，输出数据寄存器的位置换成了片上外设的输出信号，信号经过复用器进入输出控制，后面接的还是同样的 P-MOS 和 N-MOS。所以推挽的能力、开漏的能力，两种版本完全一样：

  • 复用推挽输出：片上外设控制，能输出高电平也能输出低电平。
  • 复用开漏输出：片上外设控制，只能输出低电平和高阻抗，要输出高电平同样得靠外部上拉。

有个细节值得记一下：配置成复用输出之后，引脚和输出数据寄存器就断开了，转而接上片上外设的信号线。这时候程序再往数据寄存器里写值，引脚是不会理会的。

把四种输出模式放在一起对照：

模式 谁在控制 高电平 低电平 高阻抗
通用推挽输出 ARM-CPU 能 能 不能
通用开漏输出 ARM-CPU 不能（需外部上拉） 能 能
复用推挽输出 片上外设 能 能 不能
复用开漏输出 片上外设 不能（需外部上拉） 能 能

选择哪种模式，取决于这根引脚要接什么。

推挽驱动能力强，用来点灯、驱动电机这类负载；开漏能输出高阻抗，适合共享总线和电平转换，代价是少不了外部上拉电阻。至于通用还是复用，由这根引脚的用途决定：CPU 直连的用通用，交给片上外设的用复用。

九、输入侧与施密特触发器

输入部分的边界

输入端口的范围和输出是对称的。下面是端口位结构图里属于输入的那一部分：

从右往左看：引脚进来，先经过保护二极管（外层已经讲过），然后遇到两个带开关的电阻（上拉和下拉），接着是触发器 ，最后到输入数据寄存器，一路读给 CPU，一路送给片上外设。

现在就差中间那个触发器没交代了。它做的事说起来简单，但很关键。

数字信息与模拟信息

现实世界里的信息大致分两类。

一类是状态有限的：电梯门关好没有、安全带系上没有、共享单车锁上没有、门铃被按过没有。这类信息只有有限的几个状态，叫数字信息。

另一类是连续变化的：洗澡水的冷热、手机剩余电量、奶茶店背景音乐的音量、早高峰地铁的拥挤程度。这类信息在任意时刻都能取到无穷多个值，叫模拟信息。

计算机和单片机是为人类服务的，要提供服务就得先获取信息，两种信息都得能处理。为了处理它们，硬件工程师造出了一大堆电路，高校专门开了两门课来教：《数字电路》和《模拟电路》。

这一节只关心数字信息这一侧。

不规整的输入

理想情况下，引脚上收到的应该是一个方方正正的波形：要么干脆在高电平，要么干脆在低电平，切换的那一刻干净利落。

真实情况不是这样。引脚连着导线，导线连着外面的世界。电源线、人体、手机、电机、开关电源，甚至隔壁的 WiFi、蓝牙、对讲机，都在往外面辐射电磁场，这些干扰会实实在在地叠在输入信号上。于是本来该干净翻上去的波形，翻到一半就开始抖：

如果就这么交给后面的电路去判断高低电平，它会在 0 和 1 之间反复横跳，读到的值一会儿一个样。

TTL 施密特触发器

解决这个问题的单元叫 TTL 施密特触发器。

TTL 是 Transistor-Transistor Logic 的缩写，中文是"晶体管-晶体管逻辑"。施密特是人的姓。整个名字直译过来就是"晶体管-晶体管逻辑施密特触发器"，名字不用记，记住它的作用就行：抗噪整形，把抖动的、带毛刺的、爬升缓慢的输入波形，整形成规则的方波。

原理在于它设有两个不同的阈值，而不是一个。翻上去的时候要越过正向阈值电压 VT+ 才算高电平，掉下来的时候要跌破负向阈值电压 VT− 才算低电平。两个阈值之间夹出来的那一段，叫迟滞区域：

迟滞区域的作用在于：只要输入还在这个区间里抖，输出就保持上一次的状态不变。哪怕噪声恰好把电压顶到阈值附近来回晃，也不会引起输出的频繁跳变。

举个具体的：电压在 VT+ 附近来回抖动。高于 VT+ 的那一瞬间，输出是高电平；落回迟滞区域里，输出维持上一次的状态。而"上一次"既然是从 VT+ 上方掉下来的，那自然是高电平。所以结论是维持高电平不变 。在 VT− 附近抖动同理，维持低电平不变。

噪声就这样被吃掉了。真正送进输入数据寄存器的是触发器输出的那个方波，前面那段抖动的波形到不了后面。

中文手册里的一处矛盾

讲这个触发器的时候，有一件事我得专门说一下，因为它很容易让人以为是自己看错了。

中文版参考手册里，同一个东西出现了两种叫法：

  • 正文（8.1.7 到 8.1.10 四节）写的是"施密特触发输入被激活"。
  • 图 13（I/O 端口位的基本结构）的图里，标注写的是"TTL 肖特基触发器"。

"肖特基"和"施密特"是两种完全不同的器件，前者是 Schottky，后者是 Schmitt，不能混。[2](#2)

那到底哪个对？

对照英文原稿就清楚了：英文版参考手册里 Schmitt 出现了好几处，Schottky 一次都没有。所以正确译名是施密特，中文手册图里的那个"肖特基"是错的。

有意思的是，这不是"翻译翻错了"，而是同一本手册里图和正文对不上。前面那张端口位基本电路结构图，就是从手册图 13 来的，图上印的也是"肖特基"。看书的时候如果只盯着图，很容易把错的那个名字记下来。

十、上拉输入与下拉输入

配置开关的真实含义

前面那张输入结构图上，上拉电阻和下拉电阻各串了一个开关。所谓"把这根引脚配置成上拉输入"，落到电路上就是一件事：闭合上拉电阻的开关，断开下拉电阻的开关。反过来，配置成下拉输入就是闭合下拉、断开上拉。

两个开关都在芯片内部，程序通过配置寄存器去控制它们。

text 复制代码 
上拉输入：闭合上拉开关，断开下拉开关

        VDD
         |
      [上拉电阻]  <- 开关闭合
         |
         +--------------------- 引脚
         |
      [下拉电阻]  <- 开关断开
         |
        VSS


下拉输入：闭合下拉开关，断开上拉开关

        VDD
         |
      [上拉电阻]  <- 开关断开
         |
         +--------------------- 引脚
         |
      [下拉电阻]  <- 开关闭合
         |
        VSS

上拉输入

配置成上拉输入之后，会发生三种情况：

引脚状态 输入数据寄存器读到
引脚接高电平 1
引脚接低电平 0
引脚悬空，外部什么都没接 1

前两种不奇怪，引脚上是什么就读到什么。关键在第三种：引脚什么都没接的时候，它被内部的上拉电阻拉到了 VDD，于是读到 1。

这就是上拉输入存在的理由：给输入一个确定的缺省值。外部设备可能还没接上、可能处于断开状态，有了上拉电阻，程序读到的至少是个明确的值，而不是随机的东西。

下拉输入

下拉输入就是把上面那套反过来，三种情况也对称：

引脚状态 输入数据寄存器读到
引脚接高电平 1
引脚接低电平 0
引脚悬空，外部什么都没接 0

区别只在缺省值：上拉给的是 1，下拉给的是 0。选哪个取决于电路的需求，比如按键一端接地时，平时希望读到 1，那就配上拉。

"弱"字的意思

芯片内部的这两个电阻，阻值偏大，通常在 30 kΩ 到 50 kΩ 这个量级。

阻值大，意味着它能提供的电流很小，对引脚电压的控制力就比较"弱"。所以内部上下拉常被叫做弱上拉、弱下拉。这个"弱"字后面还会用到。

顺便说清一个位置上的区别：输入这边说的上下拉电阻，是 MCU 内部自带的 ；而第七节开漏输出讲的那个上拉电阻，是芯片外面由开发板设计者加的。两者的作用类似，位置和责任人都不一样。

两个根本问题

讲到这里，有个疑问一直悬着：上拉输入的时候，如果引脚接低电平，上拉电阻不会把电平拉高吗？下拉输入的时候，如果引脚接高电平，下拉电阻不会把它拉低吗？

这两个问题原理上是同一个问题，本质上是在问"引脚上的电平和上下拉电阻对抗的时候，谁说了算"。

答案是不会。理由有两层。

第一层是强弱关系：内部上下拉电阻的阻值在几十 kΩ 这个量级，它提供的电流很小；而外部驱动器给出的低电平或者高电平要"结实"得多。对抗起来，外部信号说是什么就是什么。

第二层是第七节留下的结论：一个回路里电压会被各个元器件承接，阻值高的承压多。用等效电路看会更清楚。

上拉输入、引脚接低电平的情况，可以等效成引脚直接接地：

text 复制代码 
        VDD
         |
      [上拉电阻]  <- 回路里唯一承压的元件，承压 = VDD
         |
         +--------------------- 引脚处电压 = 0V（导线不承压）
         |
      [外部的低电平]  <- 相当于直接把引脚接地
         |
        GND

这个回路里唯一需要承压的元件就是上拉电阻，它承担的压差是整个 VDD。而引脚就是一根导线，不承压，所以引脚处的电压就是 0 V，是低电平，不受上拉电阻的影响。

下拉输入、引脚接高电平时对称：外部把引脚接到 VDD，回路里唯一承压的是下拉电阻，引脚处电压就是 VDD，不受下拉电阻的影响。

所以上下拉电阻的作用范围是有限定的：它只能在引脚悬空的时候决定电平，一旦外部有信号进来，决定权就交出去了。这也正是它被称为"弱"上下拉的原因。

十一、浮空输入

两个开关都断开

浮空输入就是内部的上拉和下拉都不配置，开关全部断开。等效出来是这样一个电路：

text 复制代码 
浮空输入：断开上拉开关，断开下拉开关

        VDD
         |
      [上拉电阻]  <- 开关断开
         |
         +--------------------- 引脚
         |
      [下拉电阻]  <- 开关断开
         |
        VSS

引脚接高电平就读 1，接低电平就读 0，这两件事跟前面一样。真正的区别出现在引脚悬空的时候。

悬空的引脚像一根天线

引脚悬空、内部又没有上下拉把电平钉住，这根导线就变成了一根接收天线：

区别在于有没有人跟干扰较劲。上一节那些干扰源叠在信号上，至少还有一个外部驱动源在把电平往确定的方向拉；引脚悬空的时候连这个对手都没有，干扰直接决定了引脚上的电压。经过触发器之后，读到的就是随机的高低电平。

所以浮空输入在引脚悬空时，电平是不确定的。上一节强调的"缺省值"，浮空输入给不出来。

适用场合

浮空输入不是不能用，条件是这个引脚一定会被外部驱动：要么接着一个明确的输出，要么接的器件在需要读的时候一定会给出确定电平。这种情况下不需要内部电阻来兜底，还能省掉上下拉带来的那点电流。

反过来说，如果这根引脚有可能处于悬空状态，又需要随时读它，那就别配成浮空。

十二、模拟输入

等效电路

输入模式里最后一种是模拟输入。回到输入结构图上看，模拟输入这条路径上，物理上等效于一根直通的导线：

text 复制代码 
模拟输入：直通，不做整形

     引脚 ------------------------------ 到片上外设
              （不经过触发器）

它和前面三种最大的不同在于：没有走触发器。

触发器的作用是整形，把抖动的输入整理成干净的 0 和 1。这对数字信号是好事，但对模拟信号是灾难，因为整形这个动作本身就是在把连续的量变成两个离散的状态，信息全没了。所以模拟输入干脆把这条路掐掉，外面是什么就原样交给片上外设。

用一句话概括：数字输入要的是"这是高还是低"，模拟输入要的是"这到底是多少"。

模拟信号的去处

引脚把模拟信号原样送进来，总得有人处理。MCU 内部专门做这件事的片上外设是 ADC （Analog-to-Digital Converter，模数转换器）和 DAC （Digital-to-Analog Converter，数模转换器），前者把模拟量读成数字量，后者反过来。

模拟信号 是时间和幅度上都连续变化的物理量，物理世界本身是连续的。

数字信号在时间和幅度上都离散，是把连续的物理量量化成有限个取值之后的结果。

十三、八种模式的价值

回到开头那三个问题。

引脚是什么？是芯片内部一套完整电路的出口。这套电路里有保护二极管挡住过压，有上下拉电阻提供缺省值，有触发器把噪声整理干净，有两个 MOS 管负责往外输出。

为什么它既可以被程序读、又可以被程序写？因为输入路径和输出路径本来就是两套电路，只是共用了一个引脚。

为什么它能接 LED、能接按键、还能去做串口？因为有八种模式兜着。同样是这一根引脚，配上不同的模式，就是不同的用途：推挽能推能挽，适合驱动负载；开漏多了个高阻抗状态，适合共享总线；上拉下拉让输入有个确定的缺省值；浮空留给一定会被外部驱动的场合；模拟输入则把控制权整个让给 ADC 和 DAC。

这也是 GPIO 被称为"通用"的真正含义。它把自己做得很宽，是因为用它的不只是 CPU，而是整个片上外设体系。一个引脚不值钱，一百多个引脚加上八种模式，才让 MCU 有能力去感知外部世界发生了什么，再操控外部设备做出动作。

我的博客即将同步至腾讯云开发者社区，邀请大家一同入驻：https://cloud.tencent.com/developer/support-plan?invite_code=e09fc9j7z34

  1. 这里说的是普通硅二极管。肖特基二极管的导通压降更低，大约 0.3 V，所以常用在需要减小损耗的场合。 ↩︎

  2. Schmitt 和 Schottky 是两个不同的人名，中文分别译作施密特和肖特基，拼写接近但并不通用。 ↩︎

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