1、GPIO 基本结构分析

STM32F103的 GPIO 工作有八种模式，但是具体这些模式是怎么实现的？下面我们通过 GPIO 的基本结构图来分别进行详细分析，总的框图如下：

如上图所示，可以看到右边只有 I/O 引脚，该 I/O 引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其他部分都是 GPIO 的内部结构。

① 保护二极管

保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚输入电压高于VDD 时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于 VSS 时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路。

② 上拉、下拉电阻

它们阻值大概在 30~50K 欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高；开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，STM32 的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。

③ 施密特触发器

对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。

施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。

特点：当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变。作用：整形！如正弦波转方波；如下正弦转方波图：

④ P-MOS 管和 N-MOS 管

这个结构控制 GPIO 的开漏输出和推挽输出两种模式。开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。推挽输出：这两只对称的 MOS 管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。

2、GPIO 八种工作模式

上面我们对 GPIO 的基本结构图中的关键器件做了介绍，下面分别介绍 GPIO 八种工作模式对应结构图的工作情况。

2.1 输入浮空

输入浮空模式：

①上拉/下拉电阻为断开状态。

②施密特触发器打开。

③双MOS管不导通，输出被禁止。

输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。也就是常说的高阻抗状态，高阻态可以理解成外部没有接任何东西的时候。该模式可以用于按键检测等场景。

特点：空闲时，IO状态不确定，由外部环境决定。

2.2 输入上拉

输入上拉模式：

①上拉电阻导通。

②下拉电阻关闭。

③施密特触发器打开。

④双MOS管不导通，输出被禁止。

在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。

特点：空闲时，IO呈现高电平。

2.3 输入下拉

输入下拉模式：

①上拉电阻关闭。

②下拉电阻导通。

③施密特触发器打开。

④双MOS管不导通，输出被禁止。

在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以只是“弱下拉”，所以不适合做电流型驱动。

特点：空闲时，IO呈现低电平。

2.4 模拟功能

模拟功能：

①上下拉电阻关闭。

②施密特触发器关闭。

③双 MOS 管也关闭。

其他外设可以通过模拟通道输入输出。该模式下需要用到芯片内部的模拟电路单元，用于 ADC、DAC、MCO这类操作模拟信号的外设。

特点：专门用于模拟信号输入或输出，如：ADC和DAC。

2.5 开漏输出

开漏输出模式：

①上拉下拉电阻关闭。
②施密特触发器打开。
③P-MOS管始终不导通。
④往ODR对应位写0，N-MOS管导通，写1则N-MOS管不导通。
STM32 的开漏输出模式是数字电路输出的一种，从结果上看它只能输出低电平 Vss 或者高阻态(电平不确定)，常用于 IIC 通讯（IIC_SDA）或其它需要进行电平转换的场景。

开漏模式下，IO 工作如下：

①P-MOS 被“输出控制”控制在截止状态，因此 IO 的状态取决于 N-MOS 的导通状况；

②只有 N-MOS 还受控制于输出寄存器，“输出控制”对输入信号进行了逻辑非的操作；

③施密特触发器是工作的，即可以输入，且上下拉电阻都断开了，可以看成浮空输入；

在“输出控制”部分做了等效处理，上图中写入输出数据寄存器①的值怎么对应到 IO 引脚的输出状态②是所研究的。

开漏输出模式下 P-MOS 一直在截止状态，即不导通，所以 P-MOS 管的栅极相当于一直接 VDD。如果输出数据寄存器①的值为0，那么 IO 引脚的输出状态②为低电平，这是我们需要的控制逻辑，怎么做到的呢？是这样的，输出数据寄存器的逻辑 0 经过“输出控制”的取反操作后，输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚连接到 VSS，即输出低电平。如果输出数据寄存器的值为 1，经过“输出控制”的取反操作后，输出逻辑 0 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止。又因为 P-MOS管是一直截止的，使得 IO 引脚呈现高阻态，即不输出低电平，也不输出高电平。因此要 IO 引脚输出高电平就必须接上拉电阻。又由于 F1 系列的开漏输出模式下，内部的上下拉电阻不可用，所以只能通过接芯片外部上拉电阻的方式，实现开漏输出模式下输出高电平。如果芯片外部不接上拉电阻，那么开漏输出模式下，IO 无法输出高电平。

在开漏输出模式下，施密特触发器是工作的，所以 IO 口引脚的电平状态会被采集到输入数据寄存器中，如果对输入数据寄存器进行读访问可以得到 IO 口的状态。也就是说开漏输出模式下，我们可以读取 IO 引脚状态。

特点：不能输出高电平，必须有外部（或内部）上拉才能输出高电平。

2.6 开漏式复用功能

开漏式复用功能：

①上拉电阻关闭。

②下拉电阻关闭。

③施密特触发器打开。

④ P-MOS管始终不导通。

一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是 IO 口的复用功能。一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择作为其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。除了复用功能外，其他的结构分析请参考开漏输出模式。另外在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态，同时外设可以读取 IO 口的信息。

特点：1、不能输出高电平，必须有外部（或内部）上拉才能输出高电平。2、由其他外设控制输出。

2.7 推挽输出

推挽输出模式：

①上拉电阻关闭。
②下拉电阻关闭。
③施密特触发器打开。
④往ODR对应位写0，N-MOS管导通，写1则P-MOS管导通。

STM32 的推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平 VSS 或者高电平VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式 P-MOS 管和 N-MOS 管都用上。同样地，我们根据参考手册推挽模式的输出描述，根据手册描述可以把“输出控制”简单地等效为一个非门，等效原理图如下：

如果输出数据寄存器①的值为 0，经过“输出控制”取反操作后，输出逻辑 1 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VSS，即输出低电平。
如果输出数据寄存器的值为 1 ，经过“输出控制”取反操作后，输出逻辑 0 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 0 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VDD，即输出高电平。

由上述可知，推挽输出模式下，P-MOS 管和 N-MOS 管同一时间只能有一个管是导通的。当 IO 引脚在做高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有较大的提高。

另外在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态。
由于推挽输出模式下输出高电平时，是直接连接 VDD，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达 25mA，但是芯片的总电流有限，所以并不建议这样用，最好还是使用芯片外部的电源。

特点：可输出高低电平，驱动能力强。