GPIO系统框图

GPIO寄存器表

GPIO硬件电路图

GPIO硬件结构详解

1、保护电路

•  当输入电压高于VDD时，上面的二极管导通，输入电压被钳位在VDD
•  当输入电压低于Vss时，下面的二极管导通，输入电压被钳位在Vss

确保引脚的电平在VDD和Vss之间，保护引脚和芯片

2、TTL施密特触发器

可以将模拟信号转换为数字信号

3、输入数据寄存器

可以存储外部输入的电平信号（来自TTL施密特触发器的数字信号）

4、输出数据寄存器

可以通过编程直接控制寄存器的数值是0还是1

5、二选一选择器

GPIO的输入模式

GPIO输入模式有四种：

• 上拉输入
• 下拉输入
• 浮空输入
• 模拟输入

GPIO输入电路图

1、模拟输入

2、上拉输入模式

IO端口输入高电平，读取高电平；输入低电平，读取低电平

IO端口悬空无信号输入，读取高电平

3、下拉输入模式

IO端口输入高电平，读取高电平；输入低电平，读取低电平

IO端口悬空无信号输入，读取低电平

4、浮空输入模式

IO端口输入高电平，读取高电平；输入低电平，读取低电平

IO端口悬空无信号输入，读取的电平是不确定的

GPIO输出模式

GPIO输出电路图

GPIO输出模式有四种：

• 推挽输出
• 开漏输出
• 推挽复用输出
• 开漏复用输出

输出模式硬件结构简化电络图

1、推挽输出

输出高电平

输出低电平

推挽输出的驱动能力和芯片的IO电流特性有关

如图芯片的IO电流特性所示，

• IO端口驱动电流最大25mA
• 端口总驱动电流最大240mA
• 对于大功率外设，需要外置驱动电路

2、开漏输出

没有外部上拉电阻

N-MOS管导通，输出端口被拉低

N-MOS管截止，输出端口高阻态

开漏输出要想输出高电平，需要外部上拉电阻提高驱动输出

开漏模式的作用

（1）改变输出高电平的电压，不通过VCC输出电压，由外部上拉电阻连接的电源决定输出电压

这里N-MOS管截止，输出电压就是5V

（2）具有“线与”的特性

多个开漏输出引脚连接到一块，如果都输出高电平，才能输出高电平

如果有一个引脚输出低电平，整个线路输出低电平

3、推挽复用输出

推挽输出和推挽复用输出的不同之处在于，控制源来自片上外设，比如PWM和串口

4、推挽复用输出

开漏输出和开漏复用输出的不同之处在于，控制源来自片上外设，比如I2C

单片机除了必须用开漏输出模式的场合，一般都使用推挽输出模式

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GPIO输出模式

GPIO在输出时有三种状态：

• Q1和Q2打开，输出高电平
• Q1关闭Q2打开，输出低电平
• Q1和Q2关闭，输出端对VCC和GND有很大的电阻值，呈现高阻态，也叫浮空
• Q1和Q2不能同时打开，否则短路

推挽输出

推挽输出模式的两种状态：

• Q1打开Q2关闭，通过VCC输出高电平，就是推
• Q1关闭Q2打开，通过GND输出低电平，就是挽

开漏输出

开漏模式的两种状态：

• Q1一直处于关闭，可以忽略
• Q2打开，通过GND输出低电平
• Q2关闭，输出端处于高阻态，浮空

开漏模式的作用

（1）改变输出高电平的电压，不通过VCC输出电压，由外部上拉电阻连接的电源决定输出电压

（2）支持多个GPIO控制一个输出端 

开漏输出模式下，

• 只要所有MOS管都关闭，输出端就会保持高电平
• 某个GPIO要输出低电平，只要打开GPIO对应的MOS管就能让输出端输出低电平

注意，如果使用推挽输出，多个GPIO相连的情况下，一旦有某个GPIO输出高电平，某个GPIO输出低电平时，就会出现短路问题，而多个GPIO控制一个输出端时这种问题不可避免，所以不能使用推挽输出。