前言

上篇文章，我们点亮了LED，用的是推挽输出模式。

当我们去查STM32的参考手册时，会发现GPIO有8种工作模式！那这么多模式，什么时候该用哪个？

这篇文章，我们就来梳理一下GPIO的8种工作模式，以及它们的应用场景。

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为什么要了解GPIO的工作模式？

你可能会问：我只想点亮一个LED，为什么要了解这么多模式？

原因是：

• 不同的外设，需要不同的GPIO模式
• 按键输入、PWM输出、I2C通信、ADC采集……每种应用场景，都有对应的最佳GPIO模式
• 如果模式选错了，外设可能不工作，或者工作不稳定

所以，了解GPIO的工作模式，是STM32开发的基础。

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STM32 GPIO的8种工作模式

STM32的GPIO，可以分为两大类：输出模式和输入模式，每类各有4种。

输出模式（4种）

模式	说明	典型应用
推挽输出 (Push-Pull)	能主动输出高、低电平	LED控制、普通数字信号输出、驱动芯片使能脚
开漏输出 (Open-Drain)	只能输出低电平，高电平需要外接上拉电阻	I2C总线、电平转换
复用推挽输出	GPIO 被外设接管，引脚功能由片上外设决定（如PWM、串口TX）	PWM输出、USART_TX
复用开漏输出	GPIO 被外设接管，引脚功能由片上外设决定（如I2C）	I2C_SDA、I2C_SCL

输入模式（4种）

模式	说明	典型应用
浮空输入 (Floating)	引脚电平不确定，易受干扰	外部信号输入（外部已有明确电平驱动）
上拉输入 (Pull-up)	内部上拉电阻，无外部信号时为高电平	按键输入（按键另一端接GND）、I²C 总线输入
下拉输入 (Pull-down)	内部下拉电阻，无外部信号时为低电平	按键输入（按键另一端接VCC）、检测高电平有效的触发信号
模拟输入 (Analog)	关闭数字缓冲器，直接连接ADC或比较器	电压采集、传感器信号采集

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输出模式详解

1. 推挽输出（Push-Pull）

原理：

• 引脚可以主动输出高电平（3.3V）或低电平（0V）
• 内部有两个MOS管（PMOS + NMOS）：一个接VCC，一个接GND
• 输出高电平时，上管导通；输出低电平时，下管导通

特点：

• ✅ 驱动能力强（能输出20mA左右）
• ✅ 高低电平切换快
• ✅ 不需要外接上拉电阻

应用场景：

• LED控制、继电器控制、蜂鸣器控制
• 普通数字信号输出
• 驱动芯片使能脚

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA0为推挽输出、50MHz
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
GPIOA->CRL |=  (0x3 << 0);   // CNF0=00（推挽输出），MODE0=11（50MHz）

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2. 开漏输出（Open-Drain）

原理：

• 引脚只能主动输出低电平，高电平需要外接上拉电阻
• 输出低电平时，内部MOS管导通，引脚被拉到低电平
• 输出高电平时，MOS管截止，引脚靠外部上拉电阻拉到高电平

特点：

• ✅ 可以实现电平匹配（比如用5V上拉，就能输出5V电平）
• ✅ 支持线与（多个开漏输出接在一起，任意一个输出低电平，总线就是低电平）
• ❌ 高电平切换速度慢（受上拉电阻影响）

应用场景：

• I2C总线（SDA和SCL都是开漏输出）
• 电平匹配（3.3V MCU控制5V设备）
• 多个设备共享一根信号线

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA0为开漏输出、50MHz
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
GPIOA->CRL |=  (0x7 << 0);   // CNF0=01（开漏输出），MODE0=11（50MHz）

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3. 复用推挽输出 / 复用开漏输出

原理：

• 和普通的推挽/开漏输出一样，但输出信号来自外设，不是来自GPIOx_ODR寄存器
• 比如：PWM信号来自定时器，串口TX信号来自USART模块

应用场景：

• PWM输出（TIMx_CHx）
• 串口发送（USARTx_TX）
• SPI时钟和数据（SPIx_SCK、SPIx_MOSI）

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA8为复用推挽输出、50MHz（TIM1_CH1）
GPIOA->CRH &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF8和MODE8位
GPIOA->CRH |=  (0xB << 0);   // CNF8=10（复用推挽输出），MODE8=11（50MHz）

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输入模式详解

1. 浮空输入（Floating）

原理：

• 引脚内部既不上拉，也不下拉
• 引脚电平完全由外部电路决定
• 如果外部没有接任何东西，电平是不确定的（可能是高，也可能是低）

特点：

• ✅ 外部可以灵活控制电平
• ❌ 如果外部信号不稳定，容易误触发

应用场景：

• 外部有上拉/下拉电阻的场合
• 用于读取数字传感器的输出（如DHT11）

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA0为浮空输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
GPIOA->CRL |=  (0x4 << 0);   // CNF0=01（浮空输入），MODE0=00（输入模式）

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2. 上拉输入（Pull-up）

原理：

• 引脚内部有一个上拉电阻（约40kΩ），把引脚拉到高电平
• 如果外部把引脚拉到低电平，引脚就读到低电平

特点：

• ✅ 默认高电平，适合按键接GND的场合
• ✅ 抗干扰能力强

应用场景：

• 按键输入（按键另一端接GND）
• 读取开关状态

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA0为上拉输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
GPIOA->CRL |=  (0x8 << 0);   // CNF0=10（上拉/下拉输入），MODE0=00（输入模式）
GPIOA->ODR |=  (1 << 0);     // ODR0=1，选择上拉

或者：

c

// 配置PA0为上拉输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
GPIOA->CRL |=  (0x8 << 0);   // CNF0=10（上拉/下拉输入），MODE0=00（输入模式）
GPIOA->BSRR = (1 << 0);     // 置位 ODR（ODR写 1），选择上拉

更推荐第二种的写法，因为操作ODR的过程是"读-改-写"，在中断或多任务中可能被打断，而BSRR是原子操作，不会被中断打断。

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3. 下拉输入（Pull-down）

原理：

• 引脚内部有一个下拉电阻（约40kΩ），把引脚拉到低电平
• 如果外部把引脚拉到高电平，引脚就读到高电平

特点：

• ✅ 默认低电平，适合按键接VCC的场合
• ✅ 抗干扰能力强

应用场景：

• 按键输入（按键另一端接VCC）
• 读取开关状态

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA0为下拉输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
GPIOA->CRL |=  (0x8 << 0);   // CNF0=10（上拉/下拉输入），MODE0=00（输入模式）
GPIOA->BRR |= (1 << 0);     // 清除 ODR（ODR写 0），选择下拉

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4. 模拟输入（Analog）

原理：

• 引脚直接连到ADC模块，用于采集模拟电压
• 数字输入缓冲器被禁止，引脚的电平变化不会触发中断

特点：

• ✅ 专门用于ADC采集
• ✅ 功耗低

应用场景：

• 电位器读数
• 温度传感器
• 电池电压检测

配置方法（寄存器编程）：

c

// 配置PA0为模拟输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
// CNF0=00，MODE0=00（模拟输入模式）

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如何用寄存器配置GPIO模式？

关键寄存器

配置GPIO模式，主要用这两个寄存器：

1. GPIOx_CRL（配置低8位引脚，Pin0~Pin7）
2. GPIOx_CRH（配置高8位引脚，Pin8~Pin15）

每个引脚占用4位：

• CNF[1:0]：配置模式（输入/输出、推挽/开漏等）
• MODE[1:0]：配置速度（输入模式下，这两位为00）

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实际代码示例

示例：按键输入（上拉输入模式）

c

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 1. 开启GPIOA时钟
    RCC->APB2ENR |= (1 << 2);
    
    // 2. 配置PA0为上拉输入（假设按键接在PA0，另一端接GND）
    GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);   // 清除CNF0和MODE0位
    GPIOA->CRL |=  (0x8 << 0);   // CNF0=10（上拉/下拉输入），MODE0=00（输入模式）
    GPIOA->BSRR = (1 << 0);     // 置位 ODR（ODR写 1），选择上拉
    
    // 3. 主循环：检测按键
    while(1)
    {
        if ((GPIOA->IDR & (1 << 0)) == 0)
        {
            // PA0为低电平（按键按下）
            // 做点什么...
        }
    }
}

将上述代码改成使用官方宏定义的形式：

c

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{ 
    // 1. 开启GPIOA时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    
    // 2. 配置PA0为上拉输入（假设按键接在PA0，另一端接GND）
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0;   // 清除CNF0位
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1;   // CNF0=10（上拉/下拉输入）
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0;   // MODE0=00（输入模式）
    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS0;     // 置位 ODR（ODR写 1），选择上拉
    
    // 3. 主循环：检测按键
    while(1)
    {
        if ((GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0) == 0)
        {
            // PA0为低电平（按键按下）
            // 做点什么...
        }
    }

}

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总结

这篇文章，我梳理了STM32 GPIO的8种工作模式：

输出模式：

• 推挽输出：最常用，能输出高/低电平
• 开漏输出：用于I2C、电平匹配
• 复用推挽/开漏：用于外设功能

输入模式：

• 浮空输入：外部有上拉/下拉时用
• 上拉输入：按键接GND时用
• 下拉输入：按键接VCC时用
• 模拟输入：用于ADC采集

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作者：一个焊板子的人，欢迎关注获取更多硬件工程师学习笔记

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