GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及相關(guān)寄存器詳解（以STM32為例）

　　1. STM32實(shí)物圖:

　　2. STM32引腳分布圖:

　　STM32F103ZET6:共144個(gè)引腳,7組IO口,每組16個(gè)IO口

　　7*16=112個(gè)IO口(這7組IO口分別為GPIOA,GPIOB…GPIOG)

　　例如:PGIOA包含PA0,PA1,PA2…PA15,每組16個(gè)IO口

　　二,IO口的基本結(jié)構(gòu)和工作方式

　　1. STM32F1系列IO口的基本結(jié)構(gòu)()IO口內(nèi)部電路結(jié)構(gòu))

　　右側(cè)I/O引腳部分為芯片暴露在外部的引腳

　　每個(gè)引腳在數(shù)據(jù)手冊都有說明是否支持(識(shí)別))5V電壓

　　三,PGIO的8種工作方式

　　4種輸入模式

　　輸入浮空

　　輸入上拉

　　輸入下拉

　　模擬輸入

　　4種輸出模式

　　開漏輸出

　　開漏復(fù)用功能

　　推挽輸出

　　推挽復(fù)用功能

　　可配置3種最大翻轉(zhuǎn)速度

　　2MHz

　　10MHz

　　50MHz

　　四,八種工作方式講解

　　1,GPIO輸入工作模式1-輸入浮空模式

　　1)外部通過IO口輸入電平,外部電平通過上下拉部分(浮空模式下都關(guān)閉,既無上拉也無下拉電阻)

　　2)傳輸?shù)绞┟芴赜|發(fā)器(此時(shí)施密特觸發(fā)器為打開狀態(tài))

　　3)繼續(xù)傳輸?shù)捷斎霐?shù)據(jù)寄存器IDR

　　4)CPU通過讀輸入數(shù)據(jù)寄存器IDR實(shí)現(xiàn)讀取外部輸入電平值

　　在輸入浮空模式下可以讀取外部輸入電平

　　2,GPIO輸入工作模式2-輸入上拉模式

　　和輸入浮空模式相比較,不同之處在于內(nèi)部有一個(gè)上拉電阻連接到VDD(輸入上拉模式下,上拉電阻開關(guān)接通,阻值約30-50K)

　　外部輸入通過上拉電阻,施密特觸發(fā)器存入輸入數(shù)據(jù)寄存器IDR,被CPU讀取

　　3,GPIO輸入工作模式3-輸入下拉模式

　　和輸入浮空模式相比較,不同之處在于內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻連接到VSS(輸入下拉模式下,下拉電阻開關(guān)接通,阻值約30-50K)

　　外部輸入通過下拉電阻,施密特觸發(fā)器存入輸入數(shù)據(jù)寄存器IDR,被CPU讀取

　　4,GPIO輸入工作模式4-輸入模擬模式

　　上拉和下拉部分均為關(guān)閉狀態(tài)(AD轉(zhuǎn)換-模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量)

　　施密特觸發(fā)器為截止?fàn)顟B(tài)

　　通過模擬輸入通道輸入到CPU

　　IO口外部電壓為模擬量(電壓形式非電平形式),作為模擬輸入范圍一般為0~3.3V

　　5,GPIO輸出工作模式1-開漏輸出模式

　　1,CPU寫入位設(shè)置/清楚寄存器BSRR,映射到輸出數(shù)據(jù)寄存器ODR

　　2,聯(lián)通到輸出控制電路(也就是ODR的電平)

　　3,ODR電平通過輸出控制電路進(jìn)入N-MOS管

　　-ODR輸出1:

　　N-MOS截止,IO端口電平不會(huì)由ODR輸出決定,而由外部上拉/下拉決定

　　在輸出狀態(tài)下,輸出的電平可以被讀取,數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器,由CPU讀取,實(shí)現(xiàn)CPU讀取輸出電平

　　所以,當(dāng)N-MOS截止時(shí),如果讀取到輸出電平為1,不一定是我們輸出的1,有可能是外部上拉產(chǎn)生的1

　　-ODR輸出0:

　　N-MOS開啟,IO端口電平被N-MOS管拉倒VSS,使IO輸出低電平

　　此時(shí)輸出的低電平同樣可以被CPU讀取到

　　6,GPIO輸出工作模式2-開漏復(fù)用輸出模式

　　與開漏輸出模式唯一的區(qū)別在于輸出控制電路之前電平的來源

　　開漏輸出模式的輸出電平是由CPU寫入輸出數(shù)據(jù)寄存器控制的

　　開漏推挽輸出模式的輸出電平是由復(fù)用功能外設(shè)輸出決定的

　　其他與開漏輸出模式相似:

　　控制電路輸出為1:N-MOS截止,IO口電平由外部上拉/下拉決定

　　控制電路輸出為0:N-MOS開啟,IO口輸出低電平

　　7,GPIO輸出工作模式3-推挽輸出模式

　　與開漏輸出相比較:

　　輸出控制寄存器部分相同

　　輸出驅(qū)動(dòng)器部分加入了P-MOS管部分

　　當(dāng)輸出控制電路輸出1時(shí):

　　P-MOS管導(dǎo)通N-MOS管截止,被上拉到高電平,IO口輸出為高電平1

　　當(dāng)輸出控制電路輸出0時(shí):

　　P-MOS管截止N-MOS管導(dǎo)通,被下拉到低電平,IO口輸出為低電平0

　　同時(shí)IO口輸出的電平可以通過輸入電路讀取

　　8,GPIO輸出工作模式4-復(fù)用推挽輸出模式

　　與推挽輸出模式唯一的區(qū)別在于輸出控制電路之前電平的來源

　　開漏輸出模式的輸出電平是由CPU寫入輸出數(shù)據(jù)寄存器控制的

　　開漏推挽輸出模式的輸出電平是由復(fù)用功能外設(shè)輸出決定的

　　9,推挽輸出和開漏輸出的區(qū)別:

　　推挽輸出:

　　可以輸出強(qiáng)高/強(qiáng)低電平,可以連接數(shù)字器件

　　開漏輸出:

　　只能輸出強(qiáng)低電平(高電平需要依靠外部上拉電子拉高),適合做電流型驅(qū)動(dòng),吸收電流能力較強(qiáng)(20ma之內(nèi))

　　五,STM32-IO口相關(guān)寄存器

　　每組GPIO包含系列7個(gè)寄存器(7組GPIO共包含7*7=49個(gè)寄存器)

　　兩個(gè)32位配置寄存器

　　GPIOx_CRL 低16位

　　GPIOx_CRH 高16位

　　兩個(gè)32位數(shù)據(jù)寄存器

　　GPIOx_IDR 輸入數(shù)據(jù)寄存器

　　GPIOx_ODR 輸出數(shù)據(jù)寄存器

　　一個(gè)32位置位/復(fù)位寄存器

　　GPIOx_BSRR

　　一個(gè)16位復(fù)位寄存器

　　GPIOx_BRR

　　一個(gè)32位鎖定寄存器

　　GPIOx_LCKR

　　六,STM32-IO口相關(guān)寄存器講解

　　1,端口配置寄存器:

　　STM32每組GPIO位16個(gè)IO口,每4位控制一個(gè)IO口,所以32位控制8個(gè)IO口

　　分為低16位:GPIOx_CRL和高16位:GPIOx_CRH共32位控制一組GPIO的16個(gè)IO口

　　如圖:以端口配置寄存器低16位為例,每四位控制一個(gè)IO口(高16位同理)

　　MODEx的2位 : 配置IO口輸出/輸出模式(1種輸出+3種不同速度的輸出模式)

　　CNFx的2位 : 配置IO口輸入/輸出狀態(tài)下(由MODEx控制)的輸入/輸出模式

　　以GPIOA_CRL為例,配置IO口PA0 -> MODE0=00(輸入模式) CNF0=10(上拉/下拉輸入模式)

　　此種配置下到底是上拉還是下拉輸入模式還需由ODR寄存器決定

　　關(guān)于上拉/下拉的控制我們將在下面-數(shù)據(jù)寄存器-中介紹ODR輸出寄存器時(shí)詳細(xì)說明

　　2,數(shù)據(jù)寄存器(以輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR為例)

　　每一組IO口都具有一個(gè)GPIOx_IDR的32位寄存器(實(shí)際只使用低16位,高16位保留),即16位控制16個(gè)IO口,每一位控制一個(gè)

　　如圖：IDR寄存器共32位,0~15位代表一組IO口16個(gè)IO當(dāng)前值

　　這里我們已經(jīng)了解了輸入/輸出數(shù)據(jù)寄存器,現(xiàn)在說下上面提到的問題:

　　當(dāng)IO口配置為輸入模式且配置為上拉/下拉輸入模式(即MODEx=00 CNFx=10時(shí)),ODR決定到底是上拉還是下拉

　　1)當(dāng)輸出模式時(shí),ODR為輸出數(shù)據(jù)寄存器

　　2)當(dāng)輸入模式時(shí),ODR用作區(qū)分當(dāng)前位輸入模式到底是上拉輸入(ODRx=0)還是下拉輸入(ODRx=1)

　　3,端口位設(shè)置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)

　　BSRR寄存器作用:

　　BSRR寄存器為32位寄存器,低16位BSx為設(shè)置為(1設(shè)置0不變),高16位BRx為重置位(1:清除0:不變)

　　當(dāng)然,最終的目的還是通過BSRR間接設(shè)置ODR寄存器,改變IO口電平

　　4,端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)

　　GPIOx_BRR寄存器作用同GPIOx_BSRR寄存器高16位

　　一般我們使用BSRR低16位和BRR的低16位(STM32F4系列取消了BSRR的高16位)

　　5,鎖存寄存器:使用較少暫不分析

　　七,端口的復(fù)用和重映射

　　1,端口的復(fù)用：

　　大部分IO口可復(fù)用為外部功能引腳,參考芯片數(shù)據(jù)手冊(IO口復(fù)用和重映射)

　　例如:STM32F103ZET6的PA9和PA10引腳可復(fù)用為串口發(fā)送和接收功能引腳,也可復(fù)用為定時(shí)器1的通道2和通道3

　　端口復(fù)用的作用：最大限度的利用端口資源

　　2,端口的重映射：

　　串口1默認(rèn)引腳是PA9,PA10可以通過配置重映射映射到PB6,PB7

　　端口重映射的作用：方便布線

　　3,STM32所有的IO口都可作為中斷輸入(51單片機(jī)只有2個(gè)端口可以作為外部中斷輸入)