stm32引脚模式GPIO

问题引入

stm32f103定时器的引脚GPIO_MODE_OUTPUT_PP和GPIO_MODE_AF_PP有什么区别？

在STM32F103微控制器中，使用定时器时涉及到的GPIO配置主要有两种模式：GPIO_MODE_OUTPUT_PP和GPIO_MODE_AF_PP。这两种模式的主要区别在于它们的用途和工作方式：

GPIO_MODE_OUTPUT_PP (推挽输出模式)：
- 这种模式下，GPIO引脚被配置为普通的推挽输出模式，适用于普通的数字信号输出。
- 在这种模式下，定时器的输出信号（例如PWM信号）可以通过软件设置直接控制GPIO引脚的电平。
- 这种模式通常用于直接输出高低电平信号，而不是通过定时器的外设功能。
- 适用于简单的数字输出应用，如LED控制。
GPIO_MODE_AF_PP (复用推挽输出模式)：
- 这种模式下，GPIO引脚被配置为复用推挽输出模式，适用于定时器的外设功能，如PWM输出、捕获/比较等。
- 在这种模式下，定时器的输出信号（例如PWM信号）通过定时器的外设功能自动控制GPIO引脚的电平，而不需要软件干预。
- 这种模式通常用于定时器的高级功能，如生成PWM信号、捕获外部信号等。
- 适用于需要通过定时器外设功能控制引脚的应用。

示例配置

假设我们使用STM32F103的定时器2生成PWM信号，并配置PA0引脚为定时器2的CH1输出：

// 启用GPIOA和TIM2的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

// 配置GPIOA的PA0为复用推挽输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 配置TIM2
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

// 设置定时器时基
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // 周期
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 预分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

// 设置PWM通道1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500; // 初始占空比
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

// 使能TIM2
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

// 使能通道1输出
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);

在这个示例中，PA0引脚被配置为GPIO_MODE_AF_PP，以便通过定时器2的通道1生成PWM信号。如果需要将PA0引脚配置为普通的数字输出模式，可以将GPIO_InitStructure.GPIO_Mode设置为GPIO_Mode_OUTPUT_PP，但这样将不能通过定时器外设功能生成PWM信号。

基础原理

STM32引脚说明
GPIO是通用输入/输出端口的简称，是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

STM32F103ZET6芯片为144脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口（GPIO）组，分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同时每组GPIO口组有16个GPIO口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。

STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外，还可以复用位外设功能引脚（比如串口），这部分在【STM32】STM32端口复用和重映射（AFIO辅助功能时钟）中有详细的介绍。

GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。

这边的电路图稍微提一下：

保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。
P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。
TTL肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。

STM32的8种GPIO输入输出模式

输入模式

- 浮空输入(GPIO_Mode_IN_FLOATING）
- 上拉输入(GPIO_Mode_IPU)
- 下拉输入(GPIO_Mode_IPD)
- 模拟输入(GPIO_Mode_AIN)

输出模式

- 开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)（带上拉或者下拉）
- 开漏复用功能(GPIO_Mode_AF_OD)（带上拉或者下拉）
- 推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP)（带上拉或者下拉）
- 推挽复用功能(GPIO_Mode_AF_PP)（带上拉或者下拉）

4种最大输出速度

（1）2MHZ (低速)
（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

浮空输入

浮空就是逻辑器件与引脚即不接高电平，也不接低电平。由于逻辑器件的内部结构，当它输入引脚悬空时，相当于该引脚接了高电平。一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。通俗讲就是浮空就是浮在空中，就相当于此端口在默认情况下什么都不接，呈高阻态，这种设置在数据传输时用的比较多。浮空最大的特点就是电压的不确定性，它可能是0V，页可能是VCC，还可能是介于两者之间的某个值。浮空输入一般多用于外部按键、ADC输入用，这样可以减少上下拉电阻对结果的影响。

上拉输入

上拉就是把点位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平。电阻同时起到限流的作用。弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。

下拉输入

就是把电压拉低，拉到GND。与上拉原理相似。

模拟输入

模拟输入是指传统方式的输入，数字输入是输入PCM数字信号，即0、1的二进制数字信号，通过数模转换，转换成模拟信号，经前级放大进入功率放大器，功率放大器还是模拟的。

开漏输出

输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行，适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20mA以内）。开漏形式的电路有以下几个特点：

利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND，IC内部仅需很小的栅极驱动电流。
一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度，阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。)
OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
可以将多个开漏输出的Pin连接到一条线上，通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

在一个结点(线)上，连接一个上拉电阻到电源VCC或VDD和n个NPN或NMOS晶体管的集电极C或漏极D，这些晶体管的发射极E或源极S都接到地线上，只要有一个晶体管饱和，这个结点(线)就被拉到地线电平上。因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS)，晶体管就会饱和，所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR逻辑。如果这个结点后面加一个反相器，就是或OR逻辑。

开漏复用功能

可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）。端口必须配置成复用功能输出模式（推挽或开漏）。

推挽输出

可以输出高、低电平，连接数字器件；推挽结构一般是指两个三级管分别受到互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形方法任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小，效率高。输出即可以向负载灌电流。推拉式输出级即提高电路的负载能力，又提高开关速度。

推挽式复用功能

可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（并非作为通用IO口使用）。

最后用一幅最简单的图形来概括推挽输出和开漏输出：该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

总结

STM32中IO模式选用:

浮空输入GPIO_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1
带上拉输入GPIO_IPU——IO内部上拉电阻输入
带下拉输入GPIO_IPD—— IO内部下拉电阻输入
模拟输入GPIO_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
开漏输出GPIO_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能。
推挽输出GPIO_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的
复用功能的推挽输出GPIO_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出GPIO_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）