STM32,PY32等單片機的GPIO的8種輸入輸出模式深入詳解

Tue, 18 Mar 2025 00:00:00 +0000

GPIO的8種輸入輸出模式

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32微控制器中常用的外設之一，用於連接和控制外部電路。GPIO引腳可用於輸入（作為傳感器的信號輸入）或輸出（控制器驅動外部器件）在STM32微控制器中，常見的輸入輸出(GPIO)模式有八種，分別是浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入、推輓輸出、開漏輸出、復用推輓輸出、復用開漏輸出.

輸入模式

輸入浮空（GPIO_Mode_IN_FLOATING）

輸入浮空：浮空就是邏輯器件與引腳即不接高電平，也不接低電平。由於邏輯器件的內部結構，當它輸入引腳懸空時，相當於該引腳接了高電平。一般實際運用時，引腳不建議懸空，易受幹擾。通俗講就是浮空就是浮在空中，就相當於此埠在默認情況下什麼都不接，呈高阻態，這種設置在數據傳輸時用的比較多。浮空最大的特點就是電壓的不確定性，它可能是0V，頁可能是VCC，還可能是介於兩者之間的某個值（最有可能）浮空一般用來做ADC輸入用，這樣可以減少上下拉電阻對結果的影響

特點：引腳處於高阻抗狀態，未連接到外部電路，測量外部信號電平。
應用場景：接收外部信號的狀態，如按鍵輸入、傳感器輸入等。

// 初始化浮空輸入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 浮空輸入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不設置上拉或下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

輸入上拉(GPIO_Mode_IPU)

輸入上拉模式：上拉就是把點位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平。電阻同時起到限流的作用。弱強只是上拉電阻的阻值不同，沒有什麼嚴格區分
特點：具有內部上拉電阻，引腳的默認電平為高電平。
應用場景：檢測外部信號為低電平時，例如按鍵按下。

// 初始化上拉輸入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 上拉輸入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;              // 上拉輸入
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

輸入下拉(GPIO_Mode_IPD)

輸入下拉：就是把電壓拉低，拉到GND。與上拉原理相似
特點：具有內部下拉電阻，引腳的默認電平為低電平。
應用場景：檢測外部信號為高電平時，例如按鍵抬起。

// 初始化下拉輸入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 下拉輸入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;            // 下拉輸入
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

模擬輸入(GPIO_Mode_AIN)

模擬輸入：模擬輸入是指傳統方式的輸入，數字輸入是輸入PCM數位訊號，即0,1的二進位數位訊號，通過數模轉換，轉換成模擬信號，經前級放大進入功率放大器，功率放大器還是模擬的。
特點：用於接收連續變化的模擬信號，通常與ADC（模數轉換器）配合使用。
應用場景：測量傳感器信號、音頻輸入等模擬信號的變化。

// 初始化模擬輸入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;         // 模擬輸入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不設置上拉或下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

輸出模式

開漏輸出(GPIO_Mode_Out_OD)

開漏輸出：輸出端相當於三極體的集電極，要得到高電平狀態需要上拉電阻才行，適合於做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強（一般20mA以內）

開漏形式的電路有以下幾個特點：

利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。
一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的，因為開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。(上拉電阻的阻決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻越大，速度越低功耗越小，所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。)
OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大;反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。
可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一隻上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成「與邏輯」關係。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線佔用狀態的原理。補充:什麼是「線與」?:

在一個結點(線)上, 連接一個上拉電阻到電源 VCC 或 VDD 和 n 個 NPN 或 NMOS 電晶體的集電極 C 或漏極 D, 這些電晶體的發射極 E 或源極 S 都接到地線上, 只要有一個電晶體飽和, 這個結點(線)就被拉到地線電平上. 因為這些電晶體的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),電晶體就會飽和, 所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關係是或非 NOR 邏輯. 如果這個結點後面加一個反相器, 就是或 OR 邏輯.

其實可以簡單的理解為:在所有引腳連在一起時，外接一上拉電阻，如果有一個引腳輸出為邏輯0，相當於接地，與之並聯的迴路「相當於被一根導線短路」，所以外電路邏輯電平便為0，只有都為高電平時，與的結果才為邏輯1。

特點：只能輸出低電平，需要外部上拉電阻將引腳拉高；具有一定的驅動能力。
應用場景：與外部器件連接時，如I2C總線，用於與其他設備進行通信。

// 初始化開漏輸出模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;     // 開漏輸出模式
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // GPIO速度設置為高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

開漏復用功能(GPIO_Mode_AF_OD)

開漏復用功能：可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（即並非作為通用IO口使用）。埠必須配置成復用功能輸出模式（推挽或開漏）

特點：具有開漏輸出的特性，可用於將GPIO引腳用作特定外設的功能。
應用場景：連接到外設的特殊功能引腳，如I2C總線通信引腳、故障信號輸出等。

// 初始化復用開漏輸出模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;          // 復用開漏輸出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不設置上拉或下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    // GPIO速度設置為高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

推挽式輸出(GPIO_Mode_Out_PP)

推挽式輸出：可以輸出高，低電平，連接數字器件;推挽結構一般是指兩個三級管分別受到互補信號的控制，總是在一個三極體導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。

推挽電路是兩個參數相同的三極體或MOSFET，以推挽方式存在於電路中，各負責正負半周的波形方法任務，電路工作時，兩隻對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小，效率高。輸出即可以向負載灌電流。推拉式輸出級即提高電路的負載能力，又提高開關速度

特點：可以輸出高電平和低電平，具有一定的驅動能力。
應用場景：用於驅動外部電路，如控制LED燈、驅動其他邏輯電路等。

// 初始化推輓輸出模式的GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;               // GPIO引腳號
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     // 推輓輸出模式
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // GPIO速度設置為高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);         // 初始化GPIOA

推挽式復用功能(GPIO_Mode_AF_PP)

推挽式復用功能：可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（並非作為通用IO口使用）

特點：具有推輓輸出的特性，可用於將GPIO引腳用作特定外設的功能。
應用場景：連接到外設的特殊功能引腳，如UART串口通信引腳、PWM輸出等。

// 初始化復用推輓輸出模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;          // 復用推輓輸出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不設置上拉或下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    // GPIO速度設置為高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

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