本帖最后由 OneAnswer 于 2025-3-8 18:12 编辑
GPIO是我们在日常开发过程中最经常使用的外设了，不知道大家有没有思考过GPIO这个最基础也最重要的外设内部电路是如何是如何实现的呢？本文就带大家分析一下GPIO的电路原理。
GPIO是通用输入/输出引脚的英文简称，是芯片功能的重要组成部分，例如APM32F407IGT6这颗176引脚的芯片，其中GPIO数量高达140。由此可见GPIO的重要程度。其中大部分引脚除了作为GPIO使用外，还可以通过软件配置复用为其它外设引脚，例如USART,IIC,SPI,ADC,DAC等，可以完成对应的通信，控制或采集功能。可以说GPIO数量就代表着芯片外设功能和引脚组合的丰富程度。
GPIO基本结构
每个GPIO内部都会有如下的电路结构，这个电路为GPIO实现多种多样的功能提供了有力的保障。
保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。
TTL施密特触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。
这里需要注意的是，“FT”代表着这个GPIO口是兼容3.3V和5V的。如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。由APM32F407芯片的用户手册可知，GPIO共支持八种工作模式：- GPIO_Mode_AIN 模拟输入
- GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
- GPIO_Mode_IPD 下拉输入
- GPIO_Mode_IPU 上拉输入
- GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
- GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
- GPIO_Mode_AF_OD 开漏复用输出
- GPIO_Mode_AF_PP 推挽复用输出
接下来我们就来详细了解这八种工作模式：
浮空输入模式
浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。
上拉输入模式
上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。
下拉输入模式
下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。
模拟输入模式
模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。
开漏输出模式
开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。
开漏复用输出模式
开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。推挽输出模式推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。推挽复用输出模式推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。
最后再提供一些I/O工作模式选择的建议：
- 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别
- 带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
- 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
- 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
- 开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化
- 推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的
- 复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL、SDA）
- 复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）
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