GPIO八種模式及工作原理(電路原理和三極管)

發(fā)布時間：2024-10-29作者：admin點擊：329

　　首先介紹一下接口類型

　　接口就是芯片之間的連接方式。單片機通過GPIO與各種模塊相連接，傳輸數(shù)據(jù)、信號。接口類型可分為以下幾種：

　　1、普通GPIO接口

　　通常只有一個引腳，只負責輸出、輸入高低電平。

　　比如輸出高低電平控制LED、蜂鳴器;作為按鍵輸入引腳判斷按鍵是否被按下。

　　2、協(xié)議類GPIO接口

　　一條或多條數(shù)據(jù)線根據(jù)某種協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，引腳仍是輸出輸入高低電平，但是輸出輸入是根據(jù)協(xié)議決定的，比如IIC協(xié)議，只有在時鐘線低電平的時候，數(shù)據(jù)線才能進行高低電平轉(zhuǎn)換，時鐘線為高電平的時候，數(shù)據(jù)線必須保持電平不變(起始信號、結(jié)束信號除外)。

　　這種情況一般是用來傳輸比較復雜的數(shù)據(jù)，比如與各種傳感器、LCD等連接。

　　常見的協(xié)議有IIC、SPI、CAN、FSMC等。

　　3、內(nèi)存接口

　　比如與Nor Flash、SDRAM、DDR、網(wǎng)卡DM9000等連接。

　　這類接口有地址總線、數(shù)據(jù)總線、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)和片選信號。

　　4、模擬接口

　　之前三種接口GPIO的輸入輸出的都是高低電平，電平信號不是0就是1。

　　模擬接口GPIO輸入輸出是不確定的。簡單理解就是輸入輸出的是模擬信號，是可以連續(xù)變化的，能輸出0-Vmax之間的任意值。

　　2. GPIO簡介

　　GPIO,即通用I/O(輸入/輸出)端口，是STM32可控制的引腳。STM32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來，可實現(xiàn)與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數(shù)據(jù)的功能。

　　STM32F407有7組IO。分別為GPIOA~GPIOG，每組IO有16個IO口，共有112個IO口通常稱為 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x為0-15。并且F4系列是基于Cortex-M4內(nèi)核

　　GPIO的復用：

　　STM32F4 有很多的內(nèi)置外設(shè)，這些外設(shè)的外部引腳都是與 GPIO 共用的。也就是說，一個引腳可以有很多作用，但是默認為IO口，如果想使用一個 GPIO內(nèi)置外設(shè)的功能引腳，就需要GPIO的復用，那么當這個 GPIO 作為內(nèi)置外設(shè)使用的時候，就叫做復用。比如說串口就是GPIO復用為串口

　　3. GPIO的工作模式

　　1、4種輸入模式

　　(1)GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入

　　(2)GPIO_Mode_IPU 上拉輸入

　　(3)GPIO_Mode_IPD 下拉輸入

　　(4)GPIO_Mode_AIN 模擬輸入

　　2、4種輸出模式

　　(5)GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出(帶上拉或者下拉)

　　(6)GPIO_Mode_AF_OD 復用開漏輸出(帶上拉或者下拉)

　　(7)GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出(帶上拉或者下拉)

　　(8)GPIO_Mode_AF_PP 復用推挽輸出(帶上拉或者下拉)

　　3、4種最大輸出速度

　　(1)2MHZ (低速)

　　(2)25MHZ (中速)

　　(3)50MHZ (快速)

　　(4)100MHZ (高速)

　　關(guān)于他們的定義，都在 stm32f4xx_gpio.h 中，都為結(jié)構(gòu)體形式的定義

　　4.GPIO框圖剖析

　　我們所用到的每一個GPIO其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是這樣，分別對應(yīng)著GPIO的八種模式這里我們簡單的介紹下：

　　保護二極管：IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入，當引腳電壓高于VDD_FT時，上方的二極管導通，當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀

　　上拉、下拉電阻：控制引腳默認狀態(tài)的電壓，開啟上拉的時候引腳默認電壓為高電平，開啟下拉的時候引腳默認電壓為低電平

　　TTL施密特觸發(fā)器：基本原理是當輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為高;當輸入電壓低于負向閾值電壓，輸出為低;IO口信號經(jīng)過觸發(fā)器后，模擬信號轉(zhuǎn)化為0和1的數(shù)字信號也就是高低電平并且是TTL電平協(xié)議這也是為什么STM32是TTL電平協(xié)議的原因

　　P-MOS管和N-MOS管：信號由P-MOS管和N-MOS管，依據(jù)兩個MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式 P-MOS管高電平導通，低電平關(guān)閉，下方的N-MOS低電平導通，高電平關(guān)閉

　　注：VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果沒有標注“FT”，就代表著不兼容5V

　　在芯片數(shù)據(jù)手冊的引腳定義中，會看到有“I/O電平”一列有FT即為支持5V

　　5.GPIO的八種工作模式剖析：

　　浮空輸入模式

　　浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數(shù)據(jù)寄存器。MCU直接讀取I/O口電平，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定;如果在該引腳懸空(在無信號輸入)的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。(接用電壓表測量其引腳電壓為1點幾伏，這是個不確定值) 以用來做KEY識別

　　上拉輸入模式

　　IO內(nèi)部接上拉電阻，此時如果IO口外部沒有信號輸入或者引腳懸空，IO口默認為高電平如果I/O口輸入低電平，那么引腳就為低電平，MCU讀取到的就是低電平

　　STM32的內(nèi)部上拉是"弱上拉"，即通過此上拉輸出的電流是很弱的，如要求大電流還是需要外部上拉。

　　下拉輸入模式

　　IO內(nèi)部接下拉電阻，此時如果IO口外部沒有信號輸入或者引腳懸空，IO口默認為低電平如果I/O口輸入高電平，那么引腳就為高電平，MCU讀取到的就是高電平

　　模擬輸入模式

　　當GPIO引腳用于ADC采集電壓的輸入通道時，用作"模擬輸入"功能，此時信號不經(jīng)過施密特觸發(fā)器，直接進入ADC模塊，并且輸入數(shù)據(jù)寄存器為空，CPU不能在輸入數(shù)據(jù)寄存器上讀到引腳狀態(tài)

　　當GPIO用于模擬功能時，引腳的上、下拉電阻是不起作用的，這個時候即使配置了上拉或下拉模式，也不會影響到模擬信號的輸入輸出。

　　除了 ADC 和 DAC 要將 IO 配置為模擬通道之外其他外設(shè)功能一律要配置為復用功能模式，

　　開漏輸出模式(帶上拉或者下拉)

　　(P-MOS管高電平導通，低電平關(guān)閉，下方的N-MOS低電平導通，高電平關(guān)閉)

　　在開漏輸出模式時，只有N-MOS管工作，如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管關(guān)閉，N-MOS管導通，使輸出低電平，I/O端口的電平就是低電平，若控制輸出為1時，高電平，則P-MOS管和N-MOS管都關(guān)閉，輸出指令就不會起到作用，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高電平?jīng)Q定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定如果沒有上拉或者下拉 IO口就處于懸空狀態(tài)

　　并且此時施密特觸發(fā)器是打開的，即輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實際狀態(tài)。，I/O口的電平不一定是輸出的電平

　　推挽輸出模式(帶上拉或者下拉)

　　(P-MOS管高電平導通，低電平關(guān)閉，下方的N-MOS低電平導通，高電平關(guān)閉)

　　在推挽輸出模式時，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我們控制輸出為0，低電平，則P-MOS管關(guān)閉，N-MOS管導通，使輸出低電平，I/O端口的電平就是低電平，若控制輸出為1 高電平，則P-MOS管導通N-MOS管關(guān)閉，使輸出高電平，I/O端口的電平就是高電平，外部上拉和下拉的作用是控制在沒有輸出時IO口電平

　　此時施密特觸發(fā)器是打開的，即輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實際狀態(tài)。I/O口的電平一定是輸出的電平

　　復用開漏輸出(帶上拉或者下拉)

　　GPIO復用為其他外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無效; 輸出的高低電平的來源于其它外設(shè)，施密特觸發(fā)器打開，輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實際狀態(tài) 除了輸出信號的來源改變其他與開漏輸出功能相同

　　復用推挽輸出(帶上拉或者下拉)

　　GPIO復用為其他外設(shè)(如 I2C)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無效; 輸出的高低電平的來源于其它外設(shè)，施密特觸發(fā)器打開，輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實際狀態(tài) 除了輸出信號的來源改變其他與開漏輸出功能相同

　　開漏輸出和推挽輸出的區(qū)別：

　　推挽輸出：

　　可以輸出強高低電平，連接數(shù)字器件

　　推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管導通的時候另一個截止.

　　開漏輸出：

　　可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極. 需要外接上拉電阻，才能實現(xiàn)輸出高電平合于做電流型的驅(qū)動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內(nèi));

　　在使用任何一種開漏模式時，都需要接上拉電阻，否則只能輸出低電平

　　補充介紹三極管NPN PNP

　　三極管也是只有在某些條件下才會導通。常用做開關(guān)電路。

　　三極管分為PNP和NPN兩種，但是原理是類似的。

　　對于三極管，只需記住通過基極b和發(fā)射機e的導通控制集電極c和發(fā)射機e的導通。

　　NPN：

　　根據(jù)圖中箭頭判斷電流流向。若基極電壓Vb大于發(fā)射極電壓Ve，則be之間導通，從而導致ce之間導通。那么V2就與低相連，V2=0。

　　通常Vb-Ve > 0.7v就認為be之間導通，根據(jù)材質(zhì)這個電壓可能會變化。

　　Vcon = 1，be導通，ce導通，V2 =0為低電平。

　　Vcon = 0，be截止，ce截止，V2 = V為高電平。

　　可以看到，V2電壓與Vcon電壓相反，所以一個三極管可以做反向電路。

　　PNP：

　　PNP型三極管與NPN的類似。

　　根據(jù)圖中箭頭判斷電流流向。若發(fā)射極電壓Ve大于基極電壓Vb，則eb之間導通，從而導致ec之間導通。那么V2就與V相連，V2=V，為高電平。

　　Vcon = 1，eb截止，ec截止，V2 =0為低電平。

　　Vcon = 0，eb導通，ec導通，V2 = V為高電平。

　　常見基本電路知識

　　推挽輸出電路：其中IN端輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+;當IN端輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，為低電平

　　開漏輸出電路：IN端輸出低電平時，三極管導通，使輸出接地，IN端輸出高電平時，三極管截止，所以引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態(tài)。為正常使用時必須接上拉電阻，

　　在STM32中選用IO模式:

　　上拉輸入、下拉輸入可以用來檢測外部信號;例如，按鍵等;

　　模擬輸入 ——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電

　　開漏輸出一般應(yīng)用在I2C、SMBUS通訊等需要"線與"功能的總線電路中。

　　推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為0和3.3伏而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場合。在STM32的應(yīng)用中，除了必須用開漏模式的場合，我們都習慣使用推挽輸出模式。

　　復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內(nèi)外設(shè)功能(I2C的SCL,SDA)

　　復用功能的開漏輸出_AF_OD——片內(nèi)外設(shè)功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)

　　F4系列與F1系列區(qū)別:

　　本質(zhì)上的區(qū)別是F4系列采用了Cortex-M4內(nèi)核而F1系列采用Cortex-M3內(nèi)核

　　F1系列(M3)IO口基本結(jié)構(gòu)：

　　F4系列(M4)IO口基本結(jié)構(gòu)：

　　F4系列設(shè)計的更加高級與人性化，他將外部上下拉電阻轉(zhuǎn)移到了輸出/輸入驅(qū)動器外部，使得輸出模式下也可以實現(xiàn)內(nèi)部上拉與下拉，方便了用戶的使用，增加了靈活性

　　GPIO的初始化(F4)

　　這里我們以初始化LED為例

　　1.定義一個 GPIO_InitTypeDef 類型的結(jié)構(gòu)體

　　GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*定義一個 GPIO_InitTypeDef 類型的結(jié)構(gòu)體*/

　　一共有5個參數(shù)

　　2開啟 LED 相關(guān)的 GPIO 外設(shè)時鐘(時鐘必要)

　　RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*開啟 AHB1時鐘*/

　　Q:為什么要設(shè)置時鐘?

　　任何外設(shè)都需要時鐘，51單片機，stm32，430等等，因為寄存器是由D觸發(fā)器組成的，往觸發(fā)器里面寫東西，前提條件是有時鐘輸入。stm32是低功耗，他將所有的門都默認設(shè)置為disable(不使能)，在你需要用哪個門的時候，開哪個門就可以，也就是說用到什么外設(shè)，只要打開對應(yīng)外設(shè)的時鐘就可以，其他的沒用到的可以還是disable(不使能)，這樣耗能就會減少。

　　Q:為什么 STM32 要有多個時鐘源呢?

　　因為首先 STM32 本身非常復雜，外設(shè)非常的多，但是并不是所有外設(shè)都需要系統(tǒng)時鐘這么高的頻率，比如看門狗以及 RTC 只需要幾十 k 的時鐘即可。同一個電路，時鐘越快功耗越大，同時抗電磁干擾能力也會越弱，所以對于較為復雜的 MCU 一般都是采取多時鐘源的方法來解決這些問題。

　　而相對應(yīng)的外設(shè)功能所使用的時鐘在stm32f4xx.h 中即可查看到

　　RCC_AHB1