一、前言

在之前圍繞STM32的GPIO的基本結構進行了介紹，圖1為STM32的5V容忍的GPIO口內部基本結構圖，圖2為GPIO的基本結構中各個模塊部分的概述。

閱讀GPIO基本結構的內容能夠對GPIO的工作模式有更深的了解。 正是由于GPIO的結構中包含了多樣性的電路和模塊，因此進行合理的配置組合，就可以使得GPIO應用在不同的工作模式下進行工作。

圖1 STM32的5V容忍的GPIO內部基本結構

圖2 GPIO基本結構包含的功能概述

二、工作模式概述

圖3為STM32的GPIO工作模式概述圖，從圖中可以看出，GPIO端口的靜態特征就是指芯片可供你選擇的該GPIO的配置，只有通過對使用的GPIO端口進行合理的配置，那么才可以讓GPIO處于某一種工作模式下實現合理的動態工作運行。

下一節我們就結合GPIO的基本結構來對不同工作模式下端口的特征及運行方式進行進一步的分析。

圖3 GPIO工作模式概述

三、工作模式詳述

接下來就對STM32的GPIO總共8種工作模式進行一個詳細的介紹。

（1）、普通IO推挽輸出

圖4是普通IO推挽輸出。 普通IO口推挽輸出就是，對輸出數據寄存器進行置0或置1操作，然后通過輸出控制緩沖器對雙MOS電路進行控制。 IO電平輸出的雙MOS電路通路同時由PMOS和NMOS組成，當輸出控制端輸出為1時，上方PMOS導通，下方NMOS截止，電流方向為VDD->PMOS->輸出端，對外部引腳輸出高電平； 當輸出控制端輸出為0時，上方PMOS截止，下方NMOS導通， 電流方向為VSS->NMOS->輸出端，對外輸出低電平。 此時對輸入數據寄存器的讀訪問可得到I/O狀態。

GPIO配置成輸出模式時，可使用上拉、下拉或懸空模式。 但此時由于輸出模式時引腳電平連接到輸出數據寄存器，而輸出數據寄存器對應引腳的位為0，即引腳初始化后默認輸出低電平，所以在這種情況下，上拉只能起到小幅提高輸出電流能力，但不會影響引腳的默認狀態。

圖4 普通IO推挽輸出

（2）、普通IO開漏輸出

圖5是普通IO開漏輸出。 普通IO開漏輸出，就是在輸出控制時，不使用雙MOS電路中的PMOS，因此無法輸出高電平，只有在輸出低電平時，NMOS生效。 開漏輸出時，只有NMOS工作，這樣輸出數據寄存器可控制I/O輸出高阻態或低電平。 如果要輸出高電平，則需要在芯片內部配置上拉電阻（弱上拉）或者在芯片IO外部連接上拉電阻。 此時對輸入數據寄存器的讀訪問可得到I/O狀態。

使用開漏輸出時，可以實現以下功能：

1）提高IO驅動能力。 MCU的IO口對外驅動的能力很小，即使使用芯片內部的上拉電阻，由于內部上拉阻值很大，驅動能力也有限。 因此使用開漏輸出時，可以在IO口外部連接上拉電阻，此時驅動電流芯片由外部上拉電阻電源提供，這樣提高驅動和帶負載能力。

2）電平轉換。 如MCU只能對外輸出3.3v，但由于GPIO管腳是5v容忍的，輸出高電平可以通過外部電源提供，外部電源如果是5v。 此時可以對外輸出5v。

3）線與。 多個開漏的引腳可以直接并在一起使用，統一接一個合適的上拉電阻，就可以實現“邏輯與”關系，即當所有引腳均輸出高電平時，輸出才為高電平，若任一引腳輸出低電平，則輸出低電平。

圖5 普通IO開漏輸出

（3）、復用功能推挽輸出

圖6是復用功能推挽輸出。 GPIO不僅僅可以用作普通的 IO 口輸出，還可以作為芯片上其他外設的特殊功能引腳，有些引腳可能可以用作多種不同功能，這種就叫做GPIO的復用，具體用作哪種功能，需要根據使用進行相應的配置。 使用成復用功能時，GPIO就不會經過輸出數據寄存器輸出，而是直接通過芯片上的具體外設功能電路輸出到輸出控制緩沖器。 此時通過讀輸入數據寄存器可獲取I/O實際狀態，但一般直接用外設的寄存器來獲取該數據信號。

使用GPIO復用功能時，當配置成推挽輸出，這樣片上外設就可以輸出高電平或者低電平，例如將GPIO配置成串口USART輸出TXD管腳。

需要注意的是，如果需要實現DAC模擬輸出，那么也需要將管腳配置成復用功能，但是此時作為“模擬輸出”功能，DAC的模擬信號輸出就不經過雙MOS管結構了，在GPIO結構框圖的右下角處，模擬信號直接輸出到引腳。

用于復用功能時，可使用上拉、下拉或者浮空模式。 在這種情況下，初始化后引腳默認輸出低電平，上拉只起到小幅提高輸出電流能力，并不會影響引腳的默認狀態。

圖6 復用功能推挽輸出

（4）、復用功能開漏輸出

圖7是復用功能開漏輸出。 復用功能開漏輸出時，GPIO就不會經過輸出數據寄存器輸出，而是直接通過芯片上的具體外設功能電路輸出到輸出控制緩沖器。 此時通過讀輸入數據寄存器可獲取I/O實際狀態，但一般直接用外設的寄存器來獲取該數據信號。

復用開漏輸出的功能和普通IO開漏輸出功能一致，因此GPIO用作復用功能管腳如果要輸出高電平，則需要在芯片內部配置上拉電阻（弱上拉）或者在芯片IO外部連接上拉電阻。 例如將GPIO配置成I2C信號線的時鐘管腳SCL和數據管腳SDA。

圖7 復用功能開漏輸出

（5）、帶上拉輸入

圖8為GPIO帶上拉電阻輸入，需要將端口配置為獨立的上拉電阻。 可以看到，輸入路徑經過施密特觸發器后，當端口配置為普通IO輸入時，該輸入路徑進入到輸入數據寄存器，因此就可以通過輸入數據寄存器讀取IO口的電平狀態，例如將IO口連接按鍵，讀取外部按鍵的電平狀態； 當端口配置成復用功能時，輸入路徑會直接連接到芯片上具體的外設中去，例如將端口配置成串口USART，那么該IO口就是串口的接收RXD管腳。

輸入上拉模式下，GPIO端口懸空無輸入信號時，輸入端的電平可以默認保持在高電平； 而當輸入信號低電平時，IO口讀取的電平就是低電平； 當輸入信號高電平時，IO口讀取的電平自然就是高電平。

圖8 GPIO帶上拉輸入

（6）、帶下拉輸入

圖9為GPIO帶下拉電阻輸入，需要將端口配置為獨立的下拉電阻。 可以看到，輸入路徑經過施密特觸發器后，當端口配置為普通IO輸入時，該輸入路徑進入到輸入數據寄存器，因此就可以通過輸入數據寄存器讀取IO口的電平狀態，例如將IO口連接按鍵，讀取外部按鍵的電平狀態； 當端口配置成復用功能時，輸入路徑會直接連接到芯片上具體的外設中去，例如將端口配置成串口USART，那么該IO口就是串口的接收RXD管腳。

輸入下拉模式下，GPIO端口懸空無輸入信號時，輸入端的電平可以默認保持在低電平； 而當輸入信號高電平時，IO口讀取的電平就是高電平； 當輸入信號低電平時，IO口讀取的電平自然就是低電平。

圖9 GPIO帶下拉輸入

（7）、浮空輸入

圖10為GPIO浮空輸入。 輸入浮空模式下，指的是該IO口既不配置接上拉電阻也不配置接下拉電阻。 如果該引腳懸空的情況無信號輸入時，該端口的電平是不確定的。 當有電平信號進入IO時，IO電平狀態是完全由外部輸入決定，MCU復位上電后，默認為浮空輸入模式。

圖10 GPIO浮空輸入

（8）、模擬輸入

圖11為GPIO模擬輸入。 當 STM32需要進行 AD( 模數 ) 轉換采樣時，需要把引腳設置為模擬輸入模式，模擬輸入模式下，不需要連接上拉和下拉電阻，因為GPIO用于模擬功能時，引腳的上、下拉電阻是不起作用的。 這個時候即使在配置了上拉或下拉電阻，也不會影響到模擬信號的輸入。

同時輸入信號不再經過TTL施密特觸發器，可將外部電壓信號直接輸入到內部的ADC 外設中去。 因為經過施密特觸發器后信號只有0、1兩種狀態，所以ADC外設要采集到原始的、連續變化的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發器之前。

需要注意到的是，由于模擬輸入不接上下拉電阻，也不經過輸入的TTL施密特觸發器，同時不像輸出功能需要經過輸出控制緩沖器，因此在芯片上少連接了很多器件，當芯片有不用的管腳時，可以考慮配置成模擬輸入以節省功耗。

圖11 模擬輸入

四、總結

本篇在STM32的GPIO的基本結構的基礎上，進一步對GPIO的各種工作模式進行介紹，為GPIO選擇不同的模式配置就可以讓GPIO在實際使用運行過程中扮演不同的角色，在下一篇將繼續介紹GPIO基礎知識篇之寄存器原理。