GPIO 是什么？

GPIO 是什么？

• 1.引言
• 2.基础认知
• 3.I/O端口位的基本结构
• 4.保护电路
• • 三种工作场景
  • • [场景 1：正常工作（引脚电压在 VSS ~ VDD 之间）](#场景 1：正常工作（引脚电压在 VSS ~ VDD 之间）)
    • [场景 2：引脚出现**过高电压**（高于 VDD+0.7V，静电 / 浪涌）](#场景 2：引脚出现过高电压（高于 VDD+0.7V，静电 / 浪涌）)
    • [场景 3：引脚出现**负压**（低于 VSS-0.7V，负静电）](#场景 3：引脚出现负压（低于 VSS-0.7V，负静电）)
• 5.输出模式
• • [5.1 工作模式](#5.1 工作模式)
  • [5.2 输出原理](#5.2 输出原理)
• 6.输入模式
• • [6.1 工作模式](#6.1 工作模式)
  • [6.2 工作原理](#6.2 工作原理)
• 7.结语

1.引言

本文目标：

• 知道GPIO及其原理
• GPIO的输入模式
• GPIO的输出模式

2.基础认知

GPIO 全称：General Purpose Input/Output，中文含义就是通用输入/输出 的意思。本质上，就是MCU内部，用来做输入输出的控制器电路。

这种图展示了板子的全貌， 红色方框框起来的部分，就是MCU，GPIO就在其内部。

GPIO输入输出的是什么？

高低电平。在语言层面上，就是0/1。

输入输出高低电平的目的是什么？

控制外设。比如：

• 点亮 LED
• 读取按键
• 控制蜂鸣器、继电器
• 与传感器或外设通信

为什么叫通用？

我们已经知道了GPIO是位于MCU内部的，但是MCU内部可不止GPIO这么一个组件的，还有很多组件，它们也需要输入输出高低电平来控制外设。

那么，它们是通过什么来进行输入输出高低电平呢？难道是独属于自己的输入输出控制电路吗？当然不是，这样做势必会增加复杂度，无疑增加了MCU的成本和功耗。所以，这些组件都是通过GPIO来完成输入输出的，因此，叫通用。

下面我们进一步理解。

上图是从数据手册中截取的STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE增强型模块框图。

我们看到，有GPIO port A、GPIO port B......GPIO port G。这些都是GPIO的不同端口，也可以理解为分组，内部结构是一样的。

同时，每一组GPIO还对应了一组引脚PIN，比如GPIO port A对应PA0到PA15。

这里补充介绍一下什么是引脚。

引脚（pin），就是芯片、开发板上伸出来的金属触点 / 金属针，是芯片和外部电路交换电信号的接口。

GPIOA 到 GPIOG 的关系，可以类比成"楼栋和房间号"：

• GPIOA、GPIOB、GPIOC 是不同楼栋，每栋楼里有很多个房间
• PA0、PB0、PC0是具体房间号
  需要注意的是，并不是每一款芯片都有 GPIOA 到 GPIOG，也不是每一组都一定有 16 个完整引脚。具体有哪些 GPIO 端口、每个端口有哪些可用引脚，要以芯片手册和开发板原理图为准。

我们知道了GPIO port 和 GPIO pin 的关系，那么我们现在将聚焦于：在硬件电路上，是怎么通过引脚来进行输入输出的。

3.I/O端口位的基本结构

I/O 端口位，可以简单理解成一组 GPIO（一个 Port）里面对应的那一个引脚 。比如 GPIOA 这一组，PA3 就是 GPIOA 端口的第 3 个端口位，对应物理引脚 PA3。

这张图的上半部分是输入，下半部分是输出，右边是保护电路。

4.保护电路

这个电路叫做双二极管钳位保护电路。

IO 引脚点同时接了两个保护二极管：

• 上二极管 ：阳极接 IO 引脚，阴极接VDD（电源）
• 下二极管 ：阴极接 IO 引脚，阳极接VSS（接地，0V）

二极管特性：正向压差大约 0.7V（硅管），也就是说，当阳极电压比阴极高 0.7V 时才导通。

三种工作场景

场景 1：正常工作（引脚电压在 VSS ~ VDD 之间）

IO 引脚电压在正常范围，两个二极管全都截止，不工作 。

二极管相当于开路，不会影响 GPIO 原本的输入 / 输出功能。

这是绝大多数时候的状态，保护电路 "隐身"，不干扰 IO。

场景 2：引脚出现过高电压（高于 VDD+0.7V，静电 / 浪涌）

IO 引脚电压 > VDD+0.7V → 上方二极管正向导通 。

多余的电荷会通过这个二极管泄放到VDD电源轨，把引脚电压钳位在 VDD+0.7V 左右，不让电压继续升高，保护后面内部的 MOS 管。

需要注意的是：

• 这个电路是在MCU内部的。
• 只能抗短时间静电脉冲，不能扛持续高压！如果长期接入 5V（3.3V MCU），这个保护二极管会持续导通发热，直接烧毁MCU。
• 它没有限流能力，如果外部电源直接灌入大电流，依然会损坏MCU。

场景 3：引脚出现负压（低于 VSS-0.7V，负静电）

IO 引脚电压 < VSS-0.7V → 下方二极管正向导通 。

引脚的负电压通过二极管泄放到VSS地轨，把引脚电压钳位在 VSS-0.7V 附近，防止负压击穿内部器件。

总的来说，双二极管钳位保护电路，利用二极管单向导电性，把 IO 引脚电压强制限制在 VSS-0.7V，VDD+0.7V 区间，吸收静电等短暂脉冲高压，保护 GPIO 内部电路。

5.输出模式

这张图，只保留了输出部分的结构。

5.1 工作模式

GPIO的输出模式：

• 通用推挽输出
• 通用开漏输出
• 复用推挽输出
• 复用开漏输出

先暂且不论这些模式都是什么，我们后面会逐个讲解。先搞清楚一个问题------为什么GPIO会有这么多IO模式？

首先，GPIO不只是给ARM-CPU直接做输入输出的，也会被其他片上外设使用，换句话说，GPIO是"大家的"。

可是，其他片上外设，怎么用GPIO？什么时候用GPIO？事先GPIO完全不知道，所以GPIO就必须把自己的IO功能做得更通用一些，结果就是有好多种输入输出模式。

这里解释一下通用和复用的意思。

• 所谓通用，就是通常使用，指的是由ARM-CPU直接控制GPIO输出。
• 所谓复用，意思就是重复使用，指的是MCU内部的片上外设，复用GPIO进行输入输出。

下面，我们讲讲输出原理。

5.2 输出原理

下面我们简化一下。

简化的点：

• 寄存器是多位的，但是为了减少理解成本，只保留一个比特位。

复用器是什么？

多个输入，经过复用器的选择，最终只让其中一个输入传到输出。它本质就是一个电子选择开关。

举个生活中的例子。

假设有 3 路信号：

信号A ──┐

信号B ──┤

信号C ──┤──→ 复用器 ──→ 输出

│

选择信号

复用器根据"选择信号"决定谁能通过：

选择A → 输出 = 信号A

选择B → 输出 = 信号B

选择C → 输出 = 信号C

我们要知道，一个引脚可能承担很多功能。这点很重要，先记住，后面解释。

             ┌─ GPIO输出数据
             │
             ├─ USART
             │
             ├─ SPI
             │
             ├─ TIM/PWM
             │
             └─ 其他外设
                  ↓
                复用器
                  ↓
                I/O引脚

复用器负责从这些信号中选择一个，决定这个GPIO引脚，到底由GPIO本身控制，还是由其他片上外设控制。

为什么需要复用器？

因为 MCU 的引脚数量是有限的。

比如一个MCU只有 64 个引脚，但内部可能有：

• UART
• SPI
• I²C
• 定时器
• GPIO
• ADC
• CAN

如果每个功能都单独占一个引脚，根本不够用。

所以让一个引脚承担多个功能：

    GPIO ──────┐
    UART ──────┤
    SPI  ──────┤
    PWM  ──────┤
    I²C  ──────┤
               ↓
             复用器
               ↓
             一个引脚

然后通过复用功能配置决定当前使用哪个功能。

输出控制是什么？

输出控制就是用来控制MOS管什么时候导通、什么时候关闭的硬件电路。

复用器已经决定谁来控制这个引脚，但最终怎么把这个信号变成真正的电压输出，是输出控制电路负责的。

输出控制电路通过控制 P-MOS 和 N-MOS 的导通与关闭，实现推挽输出、开漏输出和关闭输出（高阻态）。

P-MOS和N-MOS是什么？

由电压控制的电子开关。

最关键的一点是：

P-MOS负责把I/O往VDD（高电平）方向拉，N-MOS负责把I/O往VSS/GND（低电平）方向拉。

         VDD
          │
       ┌──────┐
       │ P-MOS│
       └──┬───┘
          │
          ├──────── I/O
          │
       ┌──┴───┐
       │ N-MOS│
       └──┬───┘
          │
         GND

P-MOS导通，I/O输出高电平；N-MOS导通，I/O输出低电平。

这就是推挽输出 ，一个负责向上拉，一个负责向下拉。所以，叫推挽（Push-Pull）。

开漏输出则没有P-MOS，只有N-MOS。

• N-MOS导通时，把I/O往低电平方向拉，所以输出低电平。
• N-MOS关闭时，相当于开路，输出高阻态。

因为N-MOS管它没有能力主动把I/O拉高，所以通常需要外部上拉电阻，相当于：

VDD
│
电阻
│
I/O ─────
 │
N-MOS
 │
GND

这样，当N-MOS导通时，上拉电阻把I/O拉到高电平。

这就是开漏。

现在，我们可以把整个GPIO输出部分串起来。

       	输出数据寄存器
              │
              ↓
           ┌───────┐
外设  ──→   │ 复用器 │
	       └───┬───┘
	           ↓
	        输出控制
	          │
        ┌─────┴─────┐
        ↓           ↓
      P-MOS       N-MOS
        │           │
       VDD         GND
        │           │
        └─────┬─────┘
              ↓
             I/O

• 输出数据寄存器：存要输入的数据（0/1）。
• 复用器：决定到底由GPIO还是片上外设提供控制信号。
• 输出控制：决定两个MOS管什么时候开、什么时候关。
• P-MOS：向上拉，把I/O接到VDD，也就是拉到高电平。
• N-MOS：向下拉，把I/O接到GND，也就是拉到低电平。

还有一个问题：能不能同时导通P-MOS和N-MOS？

不能。

如果P-MOS和N-MOS同时导通，那么将会形成一条从 VDD → P-MOS → N-MOS → GND 的直接通路，这相当于把 VDD 和 GND 直接短接，会产生很大的电流。

至此，输出讲完了。

6.输入模式

这张图，只保留了输入部分的结构。

6.1 工作模式

GPIO的输入模式：

• 上拉输入
• 下拉输入
• 浮空输入
• 模拟输入

模拟输入暂且不讲。

另外，前面在讲输出模式的时候，解释了为什么有这么工作模式，输入和输出是一个道理的，这里就不在赘述。

6.2 工作原理

什么是施密特触发器？

一种带"迟滞"的输入电路，用来把不干净、变化缓慢、带噪声的模拟电压，转换成稳定的数字 0/1。

为什么需要施密特触发器？

因为输入信号不一定是规则的，它有可能是这样：

信号在某个电压附近上下波动。

如果普通数字输入电路的判断门槛是：高于图中横向电压值的为1，低于图中横向电压值的为0。

那么，信号在横向附近晃动时，一会儿是1一会儿又是0。导致输出很不稳定，这就是噪声导致的误触发。

施密特触发器规定了正向阈值电压VT+和负向阈值电压VT-，这两个电压之间就是迟滞区域。

• 电压从低往高升，必须超过正向阈值电压才认为 0->1。
• 电压从高往低下降，必须低于负向阈值电压才认为 1->0。

所以，在正向阈值电压附近抖动的信号，不会从1->0，而是保持了原来的状态。在负向阈值电压附近抖动的信号，同理。

所以，施密特触发器就起到了整形、抗噪声的作用。

下面我们讲输入模式。

记住一句话：

上拉、下拉解决的是，当外部没有明确给GPIO一个高/低电平时，GPIO到底应该默认是1还是0。

GPIO作为输入端的时候，它本身不主动输出高低电平。如果引脚什么都没接，那么这个引脚就处于一种浮空状态 。

它的电压可能受到：

• 电磁干扰
• 周围信号
• 人体触摸

等影响。于是可能出现 0 → 1 → 0 → 1 → 1 → 0 ...

所以我们需要给它一个默认状态，这就是上拉和下拉的作用。

上拉输入就是把上面的开关导通。这样，就算外部没有任何输入的情况下，VDD也会把GPIO的电压拉高。也就是说，上拉输入默认是高电平。

下拉输入就是把下面的开关导通。这样，就算外部没有任何输入的情况下，VSS也会把GPIO的电压拉到0V。也就是说，下拉输入默认是低电平。

浮空输入就是把这两个开关都断开，GPIO 输入端既没有被上拉，也没有被下拉，而且外部也没有提供确定的电平。

总结一下：

输入模式	默认状态	原因
上拉输入	1	电阻把 GPIO 拉向 VDD
下拉输入	0	电阻把 GPIO 拉向 GND
浮空输入	不确定	没有确定的电平来源

一个问题------为什么一定要用"电阻"，而不是直接接 VDD？

因为接通外部电路后，VDD直接与GND直连，会产生很大的电流，可能会破坏电路。电阻的存在，可以减小电流。

至此，输入也讲完了。

7.结语

如有问题，恳请指出，谢谢！