3.1 GPIO输出

2025年2月14日大约 7 分钟

一、GPIO 理论基础

在 STM32 中，所有的 GPIO 都挂载在 APB2 外设总线上，其外设名称按照 GPIOA、GPIOB、GPIOC 等命名，每个 GPIO 外设包含 16 个引脚，编号从 0 到 15。

寄存器是一段特殊的存储器内核，可通过 APB2 总线进行读写，以完成输出电平和读取电平的功能。寄存器的每一位对应一个引脚，输出寄存器写 1 对应引脚输出高电平，写 0 输出低电平；输入寄存器读取为 1 表示对应端口为高电平，读取为 0 表示低电平。由于 STM32 是 32 位单片机，内部寄存器为 32 位，但端口只有 16 位，因此寄存器只有低 16 位对应端口，高 16 位未使用。
驱动器用于提供足够的信号驱动能力，确保在执行操作（如点亮 LED）时信号能有效传输。

GPIO 的电路结构分为输入部分和输出部分。

保护二极管：
- 连接两个保护二极管，用于对输入电压进行限幅。
- 当输入电压高于 3.3V 时，上方二极管导通，电流流入 VDD，避免过高电压伤害内部电路。
- 当输入电压低于 0V 时，下方二极管导通，电流从 VSS 流出。
上拉电阻和下拉电阻：
- 输入引脚连接一个上拉电阻和一个下拉电阻。
- 通过程序配置开关，可实现上拉输入、下拉输入或浮空输入。
- 上拉和下拉电阻为输入提供默认电平，避免引脚悬空导致输入数据不确定。
施密特触发器（肖特基触发器）：
- 对输入电压进行整形，将输入电压与阈值比较。
- 大于阈值输出高电平，小于阈值输出低电平，有效避免因信号波动造成的输出抖动现象。
- 整形后的波形可写入输入数据寄存器，通过程序读取对应位数据，即可获取端口输入电平。
  普通比较器和施密特触发器的区别
片上外设端口：
- 输入部分还连接片上外设端口，包括模拟输入（连接到 ADC）和复用功能输入（连接到其他需要读取端口的外设）。

数字部分控制：
- 可由输出数据寄存器或片上外设控制，通过数据选择器连接到输出控制部分。
- 若选择输出数据寄存器控制，即为普通的 IO 口输出。
位设置清除寄存器：
- 可单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位。
- 操作方式包括：
  - 先读出寄存器，用按位与和按位或更改某一位后再写回。
  - 直接通过位设置和位清除寄存器进行操作。
  - 读写 STM32 中的位带区域来操作对应位。
  注意
  若仅使用库函数无法实现位带操作。
输出控制：
- 连接两个 MOS 管（P-MOS 和 N-MOS），可实现推挽输出、开漏输出和关闭三种输出方式。
- 推挽输出模式：
  - P-MOS 和 N-MOS 均有效。
  - 数据寄存器为 1 时上管导通、下管断开，输出高电平。
  - 数据寄存器为 0 时上管断开、下管导通，输出低电平，高低电平均有较强驱动能力。
- 开漏输出模式：
  - P-MOS 无效，只有 N-MOS 工作。
  - 数据寄存器为 1 时下管断开，输出高阻态。
  - 数据寄存器为 0 时下管导通，输出低电平，只有低电平有驱动能力，可用于通信协议驱动和输出 5V 电平信号。
- 关闭模式：
  - 当引脚配置为输入模式时，两个 MOS 管均无效，输出关闭，端口电平由外部信号控制。

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式

LED（发光二极管）：正向通电点亮，反向通电不亮。通过引脚长度判断正负极，长脚为正极，短脚为负极；也可通过 LED 内部结构判断正负极，较小的为正极，较大的为负极。
蜂鸣器：分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。
- 内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定。
- 内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音。

面包板是一种常用的电子电路实验工具，其内部的金属爪可以实现元件引脚的电路连接。注意面包板的电源引脚（正负极）要正确连接，避免电路断电或短路。