STM32——GPIO介绍

GPIO（General-Purpose IO ports，通用输入/输出接口）模块是STM32的外设接口的核心部分，用于感知外界信号（输入模式）和控制外部设备（输出模式），支持多种工作模式和配置选项。

1、GPIO 基本结构

STM32F407 的每个 GPIO 引脚均可独立配置，主要特性包括：

9 组 GPIO 端口（GPIOA ~ GPIOI），每组最多 16 个引脚（PIN0 ~ PIN15）。

每个引脚可配置为输入、输出、复用功能或模拟模式。
支持多种驱动模式（推挽、开漏）、速度等级和上下拉电阻。
支持外部中断 / 事件触发。

I/O 端口的基本结构：

2、GPIO 工作模式

每个引脚可通过 GPIOx_MODER 寄存器配置为以下模式：

/** * @brief  GPIO Configuration Mode enumeration */   
typedef enum
{ GPIO_Mode_IN   = 0x00, /*!< GPIO Input Mode */GPIO_Mode_OUT  = 0x01, /*!< GPIO Output Mode */GPIO_Mode_AF   = 0x02, /*!< GPIO Alternate function Mode */GPIO_Mode_AN   = 0x03  /*!< GPIO Analog Mode */
}GPIOMode_TypeDef;
#define IS_GPIO_MODE(MODE) (((MODE) == GPIO_Mode_IN)  || ((MODE) == GPIO_Mode_OUT) || \((MODE) == GPIO_Mode_AF)|| ((MODE) == GPIO_Mode_AN))

2.1、输入模式

2.1.1、浮空输入(Input Floating)

引脚电平由外部电路决定，无内部上拉 / 下拉。上拉 / 下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部电路决定的。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。

浮空输入的特点：

高阻态：引脚内部无上拉/下拉电阻，电平完全由外部电路决定。
灵敏度高：易受外部信号或噪声影响，需确保外部电路有明确的驱动源。
低功耗：无内部电阻电流路径，适合低功耗场景（需外部电路稳定）。

该模式典型应用场景：

1、外部中断（EXIT）

场景：连接按键、传感器等需要触发中断的设备。
原因：若外部电路已包含明确的上拉/下拉电阻（如按键电路），使用浮空输入可避免内部电阻的干扰。

2、通信接口（如 IIC、UART）

场景：IIC 的 SDA / SCL 线、UART 的 RX 引脚。
原因：IIC 总线需外接上拉电阻，浮空输入避免内部电阻冲突；UART 接收端有外部设备驱动电平。

3、多设备总线（如 CAN、SPI）

场景：总线型通信（如 CAN 总线、SPI 从设备 MISO）
原因：总线电平由外部收发器或多主机设备控制，浮空输入确保无内部干扰。

4、高速数字信号采样

场景：高频脉冲计数（如编码器信号、PWM 输入捕获）。
原因：浮空输入响应速度快，适合高速信号采集（需外部信号驱动能力强）。

5、模拟信号预处理

场景：连接比较器、运放等模拟电路的输出端。
原因：避免内部电阻影响模拟电路输出的高精度电平。

2.1.2、上拉输入(Input Pull-up)

内部上拉电阻（约40kΩ）连接到 VDD。上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样就可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，不适合做电流型驱动。

上拉输入的特点：

默认高电平：当引脚无外部驱动时，内部上拉电阻将电平拉至 VDD（3.3V）。
抗干扰能力强：避免引脚悬空导致的电平漂移，较少噪声影响。
简化外部电路：省去外部上拉电阻，节省 PCB 空间和成本。

该模式典型应用场景：

1、按键/开关检测

场景：按键一端接地（低电平有效），按下时拉低引脚电平。
原理：未按下时，内部上拉电阻使引脚保持高电平；按下时接地，电平变为低。

2、数字信号输入（无主动驱动高电平）

场景：连接开漏输出的传感器（如某些红外模块）。
原理：传感器只能拉低电平，需上拉电阻提供默认高电平。

3、总线空闲状态维持

场景：单线通信协议（如 1-Wire）或自定义串行总线。
原理：总线空闲时由上拉电阻维持高电平，设备通过拉低电平发送数据。

4、电平转换接口

场景：连接 5V 设备（通过电平转换芯片）。
原理：若转换芯片输出为开漏模式，需上拉电阻提供 3.3V 高电平。

5、防止未初始化引脚悬空

场景：未使用的 GPIO 引脚。
原理：配置为上拉输入，避免悬空引入噪声或意外电流。

2.1.3、下拉输入(Input Pull-down)

内部下拉电阻（约40kΩ）连接到 GND。下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样也就可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。

下拉输入的特点：

默认低电平：当引脚无外部驱动时，内部下拉电阻将电平拉至 GND(0 V)。
抗干扰能力强：避免引脚悬空导致的高电平误触发。
简化外部电路：省去外部下拉电阻，节省 PCB 空间和成本。

该模式典型应用场景：

1、高电平有效信号检测

场景：检测传感器或模块的高电平输出（如红外避障传感器、PIR 人体感应模块）。
原理：未触发时引脚电平被下拉至低电平；触发时外部设备输出高电平。

2、总线型通信的从设备选择

场景：SPI 从设备的片选（CS）信号。
原理：主设备未选中从设备时，片选线保持低电平（下拉）；选中时主设备拉高电平。

3、数字信号防抖动

场景：连接机械开关或继电器触点。
原理：下拉电阻确保开关断开时引脚为低电平，减少触点抖动引入的噪声。

4、电平转换接口

场景：连接 5V 设备的开漏输出（如某些老式传感器）。
原理：外部设备拉高电平时，通过电平转换芯片输出 3.3V 高电平；未激活时下拉至低电平。

5、未使用引脚的稳定处理

场景：未连接的 GPIO 引脚。
原理：配置为下拉输入，避免悬空引脚引入噪声或意外功耗。

2.1.4、模拟输入(Analog Mode)

上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双 MOS 管也关闭。该模式用于 ADC 采集或 DAC 输出，或者低功耗下省电。

模拟输入的特点：

禁用数字功能：引脚的数字输入/输出电路被断开，仅保留模拟信号路径。
高精度低噪声：避免数字电路干扰，提高 ADC/DAC 的采样精度。
无上拉/下拉：内部电阻断开，信号完全由外部模拟源驱动。

该模式典型应用场景：

1、传感器信号采集

场景：连接模拟输出传感器（如温度、压力、光照、湿度传感器）。
示例：

（1）温度传感器（如 LM35、NTC 热敏电阻）：输出电压随温度变化。

（2）光敏电阻：电阻值随光照强度变化&#x