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一、什么是GPIO？

GPIO全称为General PurposeInput Output，即通用输入输出端口。

GPIO特点：
1、快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期。在不超频的情况下F1系列系统时钟频率最高可设置为72Mhz，因此IO口的翻转速度最快为36Mhz。若将芯片系统时钟频率超频到100Mhz以上，则IO口的翻转速度最快可以到50Mhz，通常不建议超频使用。
2、GPIO可分为CMOS端口和TTL端口，见数据手册引脚定义表格，其中IO Level有FT标识的即为TTL端口，表示该端口可容忍5V，兼容3.3V；没有FT标识的即为CMOS端口，表示该端口最大可承受电压为3.3V。
3、GPIO识别电压范围：-0.3V到1.164V识别为低电平，1.833V到3.6V识别为高电平。

二、IO端口基本结构

上图为GPIO基本结构图，其中上半部分为输入，下半部分为输出。

结构图中部分元器件的特性如下：
1、保护二极管的钳位作用：

钳位二极管的工作原理

2、施密特(肖特基)触发器的整形作用：

施密特触发器电路及工作原理详解

3、PMOS、NMOS的导通条件

PMOS & NMOS电流流向及符号图

NMOS与PMOS的导通条件与使用方法

整理笔记——推挽输出、开漏输出

三、GPIO的八种工作模式

1.输入浮空

特点： 空闲时(外部高阻态)，IO状态不确定，由外部环境决定

2.输入上拉

特点：空闲时(外部高阻态)，IO呈现高电平

3.输入下拉

特点：空闲时(外部高阻态)，IO呈现低电平

4.模拟输入

特点：专门用于模拟信号输入或输出，如ADC和DAC

5.开漏输出

PMOS管始终不导通；往ODR对应位写0，NMOS管导通，写1则NMOS管不导通。
相当于PMOS的栅极接了VDD(3.3V)，NMOS的栅极接了反相器。
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，常用于IIC。可以实现IO的线与。

6.开漏式复用功能

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

7.推挽输出

往ODR对应位写0，NMOS管导通，写1则PMOS管导通。
相当于NMOS、PMOS的栅极接了反相器。
特点：可输出高低电平，驱动能力强。电平切换速度快，常用于控制输出，但不支持线与。
当GPIO配置为推挽输出模式时，配置上、下拉电阻（GPIO_PuPd）实际并不起作用。在输出模式下，GPIO的输出电平完全由用户写入到输出数据寄存器（ODR）的值决定。但此时该IO口的输入功能仍然生效，因此可以有如下应用：

//GPIO口翻转
#define	LED_Toggle		GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_1,(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1)))

8.推挽式复用功能

特点：
1、可输出高低电平，驱动能力强
2、有其他外设控制输出

四、手把手配置GPIO(标准库)

1、初始化GPIO

void gpio_init(void)
{
  //使能GPIOB时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /* Configure the GPIO_LED pin */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;             //引脚号
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;      //推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;     //电平切换速度
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
}

2、在main函数中控制PB5口每500ms闪烁

  while (1)
  {
      Delay(500);
      GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
      
      Delay(500);
      GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
  }
}

五、思考

1.为什么推挽输出不支持线与？

上图可知，当两个推挽输出的IO接到一起时，若IO1输出1，IO2输出0，将导致IO1的上管和IO2的下管短路，烧坏芯片。

2.MCU如何输出5V信号？

可选择开漏输出，通过5V上拉，当控制IO为1时，即可输出5V信号。

3.对比开漏输出和推挽输出的差异？

特性	推挽输出	推挽输出
驱动能力	强（主动推/拉）	弱（依赖上拉电阻）
高电平来源	芯片内部VDD	外部上拉电源
电平兼容性	固定为VDD	可适配不同电压（如5V）
总线冲突风险	有（可能短路）	无（支持“线与”）
典型应用	高速信号、独立驱动	I2C、电平转换、共享信号线

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总结

GPIO是STM32最基础的外设，成为一名点灯大师是合格嵌入式工程师的第一步。