一、GPIO 是什么？

GPIO 的全称是 General Purpose Input Output，中文叫 通用输入输出端口。

简单理解：

• 输入：读取外部器件的状态，例如按键是否按下、传感器输出高低电平。

• 输出：控制外部器件工作，例如点亮 LED、控制蜂鸣器、驱动继电器。

对于 STM32 来说，大量引脚都可以作为 GPIO 使用。不同型号芯片的 IO 数量不同，STM32F103ZET6 属于引脚资源比较丰富的型号，常见 GPIO 端口包括 GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE 等。

二、STM32 GPIO 的基本特点

STM32 的 GPIO 不是简单的“高低电平开关”，它有比较完整的内部结构和多种工作方式。

常见特点：

• 每个 IO 口都可以配置成不同模式。

• 大多数 IO 可以作为外部中断输入。

• GPIO 支持快速翻转，适合控制 LED、片选信号、普通数字接口等。

• 每组 GPIO 最多 16 个引脚，例如 GPIOA 的 PA0 到 PA15。

• GPIO 引脚通常按组存在：GPIOA、GPIOB、GPIOC ...

在 STM32F103 系列中，GPIO 的配置主要围绕 模式、速度、上下拉、输出类型 展开。

三、GPIO 的电气特性

学习 GPIO 时，一定要注意电气特性，因为单片机引脚不是无限制使用的。

1. 工作电压

STM32F103 系列常用工作电压为 3.3V。一般情况下：

• GPIO 输出高电平接近 3.3V。

• GPIO 输出低电平接近 0V。

• 输入引脚识别高低电平时，也有对应的电压范围。

不要随便把 5V 信号直接接到 STM32 引脚上，是否 5V 容忍要看具体引脚和数据手册。

2. 输出电流

GPIO 可以直接驱动小电流器件，例如普通 LED，但不适合直接驱动电机、继电器等大电流负载。

如果外设需要较大电流，应该使用：

• 三极管

• MOS 管

• 驱动芯片

• 继电器模块

3. 保护二极管

GPIO 内部通常带有保护结构，用来限制外部过高或过低的异常电压。但这不是让我们随便接错电压的理由，保护结构只能用于短时间、小能量的异常保护。

四、GPIO 引脚分布

STM32 芯片引脚不全是 GPIO，还包括：

• 电源引脚

• GND 引脚

• 晶振引脚

• 复位引脚

• 下载调试引脚，如 SWD/JTAG

• BOOT 启动模式引脚

• 普通 GPIO 引脚

• 复用功能引脚

对于 STM32F103ZET6，要特别注意：

• PA13、PA14 默认用于 SWD 调试。

• BOOT0、BOOT1 会影响启动方式。

• 晶振相关引脚一般不要当普通 IO 使用。

• 一个引脚可能同时支持 GPIO、USART、SPI、I2C、TIM 等复用功能。

初学阶段建议先照着开发板原理图使用 LED、按键对应的引脚，不要随意更换。

五、GPIO 内部结构理解

GPIO 内部可以粗略理解成几部分：

• 输入部分

• 输出部分

• 上拉/下拉电阻

• 保护二极管

• 施密特触发器

• P-MOS 和 N-MOS 输出管

• 复用功能通道

1. 施密特触发器

施密特触发器的作用是把不太标准、边沿较慢的输入信号整理成更加标准的数字信号。

例如按键输入时，电平变化可能不够理想，经过施密特触发器后，单片机更容易判断出稳定的高低电平。

2. 上拉和下拉电阻

GPIO 输入时，如果外部没有明确给高电平或低电平，引脚状态可能不确定，这种状态叫 浮空。

为了解决这个问题，可以使用上拉或下拉：

类型	空闲状态	说明
输入浮空	不确定	容易受外界干扰
输入上拉	高电平	内部通过电阻接到 VCC
输入下拉	低电平	内部通过电阻接到 GND

STM32 内部上拉/下拉电阻一般是几十 kΩ 级别，课堂总结中提到约 30kΩ 到 50kΩ。

3. P-MOS 和 N-MOS

GPIO 输出部分常见结构是由 P-MOS 和 N-MOS 组成。

推挽输出时：

• 输出高电平：上方 P-MOS 导通。

• 输出低电平：下方 N-MOS 导通。

开漏输出时：

• 只能主动输出低电平。

• 高电平需要外部或内部上拉电阻提供。

六、GPIO 的八种工作模式

STM32F1 系列 GPIO 常见 8 种模式如下。

模式	作用	常见用途
输入浮空	引脚不接内部上下拉	外部电路已经提供明确电平
输入上拉	空闲时为高电平	低电平有效按键
输入下拉	空闲时为低电平	高电平有效按键
模拟输入	关闭数字输入通道	ADC 采样
开漏输出	只能主动拉低	I2C、线与逻辑
推挽输出	可输出高低电平	LED、蜂鸣器、普通控制
开漏复用输出	外设控制，开漏输出	I2C 等
推挽复用输出	外设控制，推挽输出	USART、SPI、PWM 等

初学者怎么选模式？

常见选择可以先记住：

• 点亮 LED：推挽输出。

• 读取普通按键：输入上拉或输入下拉。

• ADC 采样：模拟输入。

• 串口 TX：复用推挽输出。

• I2C：复用开漏输出。

七、推挽输出和开漏输出的区别

这是 GPIO 学习中的重点。

1. 推挽输出

推挽输出可以主动输出高电平，也可以主动输出低电平。

特点：

• 驱动能力较强。

• 电平切换速度快。

• 适合 LED、蜂鸣器、片选信号等普通输出。

2. 开漏输出

开漏输出只能主动输出低电平，不能主动输出高电平。

如果想输出高电平，必须依靠上拉电阻。

特点：

• 适合多个器件共用一根信号线。

• 常用于 I2C 总线。

• 可以做电平转换场景中的一部分。

一句话记忆：

推挽输出能输出 0 和 1，开漏输出只能主动输出 0，输出 1 要靠上拉。

八、STM32F1 和 F4/F7/H7 GPIO 的一点区别

课堂总结里提到，F1 和 F4/F7/H7 的 GPIO 结构不完全一样，比较明显的区别是 内部上拉/下拉电阻的位置和寄存器设计不同。

对于 STM32F103ZET6 这类 F1 芯片：

• 0 到 7 号引脚通过 GPIOx_CRL 配置。

• 8 到 15 号引脚通过 GPIOx_CRH 配置。

• 输出模式下通常不使用内部上拉/下拉，HAL 配置时一般写 GPIO_NOPULL。

对于 F4/F7/H7 等系列：

• 常见配置寄存器包括 GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR、GPIOx_PUPDR 等。

• 模式、输出类型、速度、上下拉被拆分得更清晰。

本文重点是 STM32F103ZET6，所以后面以 F1 的理解和 HAL 写法为主。

九、STM32F1 GPIO 常用寄存器

虽然使用 HAL 库时不一定直接操作寄存器，但理解寄存器有助于理解 HAL 的底层原理。

STM32F1 GPIO 常见寄存器：

寄存器	作用
GPIOx_CRL	配置 0 到 7 号引脚
GPIOx_CRH	配置 8 到 15 号引脚
GPIOx_IDR	输入数据寄存器，读取引脚电平
GPIOx_ODR	输出数据寄存器，控制输出电平
GPIOx_BSRR	位设置/复位寄存器，推荐用于置位和复位
GPIOx_BRR	位复位寄存器
GPIOx_LCKR	配置锁定寄存器

课堂总结中提到，F1 系列基础使用时重点关注：

• GPIOx_CRL

• GPIOx_CRH

• GPIOx_IDR

• GPIOx_ODR

• GPIOx_BSRR

ODR 和 BSRR 有什么区别？

ODR 是输出数据寄存器，修改某一位时可能涉及读-改-写过程。

BSRR 是位操作寄存器，可以直接对某个引脚置 1 或清 0，操作更安全，尤其在中断或多任务环境中更推荐使用。

使用 HAL 库的 HAL_GPIO_WritePin() 时，底层通常会使用类似 BSRR 的方式操作引脚。

十、通用外设驱动模型：四步法

课堂总结中给出一个很重要的方法：通用外设驱动模型四步法。

学习任何 STM32 外设时，都可以按这个思路分析：

1. 初始化 包括时钟设置、参数设置、IO 设置、中断设置等。

2. 读函数 从外设读取数据，例如读取按键电平、读取串口数据。

3. 写函数 向外设写入数据，例如设置 GPIO 输出、发送串口数据。

4. 中断服务函数 如果外设使用中断，需要在中断中处理标志位和业务逻辑。

这个方法不仅适用于 GPIO，也适用于 USART、TIM、ADC、SPI、I2C 等外设。