GPIO八種模式及工作原理(電路原理和三極管)

發(fā)布時(shí)間：2024-10-29作者：admin點(diǎn)擊：95

　　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(jī)通過(guò)GPIO與各種模塊相連接，傳輸數(shù)據(jù)、信號(hào)。接口類型可分為以下幾種：

　　1、普通GPIO接口

　　通常只有一個(gè)引腳，只負(fù)責(zé)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(shí)鐘線低電平的時(shí)候，數(shù)據(jù)線才能進(jìn)行高低電平轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘線為高電平的時(shí)候，數(shù)據(jù)線必須保持電平不變(起始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)除外)。

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

　　常見(jiàn)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(hào)。

　　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(hào)不是0就是1。

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

　　2. GPIO簡(jiǎn)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(lái)，可實(shí)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(gè)IO口，共有112個(gè)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(fù)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(shuō)，一個(gè)引腳可以有很多作用，但是默認(rèn)為IO口，如果想使用一個(gè) GPIO內(nèi)置外設(shè)的功能引腳，就需要GPIO的復(fù)用，那么當(dāng)這個(gè) GPIO 作為內(nèi)置外設(shè)使用的時(shí)候，就叫做復(fù)用。比如說(shuō)串口就是GPIO復(fù)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(kāi)漏輸出(帶上拉或者下拉)

　　(6)GPIO_Mode_AF_OD 復(fù)用開(kāi)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(fù)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(gè)GPIO其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是這樣，分別對(duì)應(yīng)著GPIO的八種模式這里我們簡(jiǎn)單的介紹下：

　　保護(hù)二極管：IO引腳上下兩邊兩個(gè)二極管用于防止引腳外部過(guò)高、過(guò)低的電壓輸入，當(dāng)引腳電壓高于VDD_FT時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通，當(dāng)引腳電壓低于VSS時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通，防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片燒毀

　　上拉、下拉電阻：控制引腳默認(rèn)狀態(tài)的電壓，開(kāi)啟上拉的時(shí)候引腳默認(rèn)電壓為高電平，開(kāi)啟下拉的時(shí)候引腳默認(rèn)電壓為低電平

　　TTL施密特觸發(fā)器：基本原理是當(dāng)輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為高;當(dāng)輸入電壓低于負(fù)向閾值電壓，輸出為低;IO口信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)器后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0和1的數(shù)字信號(hào) 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(hào)由P-MOS管和N-MOS管，依據(jù)兩個(gè)MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽輸出”和“開(kāi)漏輸出”的模式 P-MOS管高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)閉，下方的N-MOS低電平導(dǎo)通，高電平關(guān)閉

　　注：VDD_FT 代表IO口，兼容3.3V和5V，如果沒(méi)有標(biāo)注“FT”，就代表著不兼容5V

　　在芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的引腳定義中，會(huì)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(hào)直接進(jìn)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(wú)信號(hào)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(cè)量其引腳電壓為1點(diǎn)幾伏，這是個(gè)不確定值) 以用來(lái)做KEY識(shí)別

　　上拉輸入模式

　　IO內(nèi)部接上拉電阻，此時(shí)如果IO口外部沒(méi)有信號(hào)輸入或者引腳懸空，IO口默認(rèn)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(guò)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(shí)如果IO口外部沒(méi)有信號(hào)輸入或者引腳懸空，IO口默認(rèn)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(dāng)GPIO引腳用于ADC采集電壓的輸入通道時(shí)，用作"模擬輸入"功能，此時(shí)信號(hào)不經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器，直接進(jìn)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(dāng)GPIO用于模擬功能時(shí)，引腳的上、下拉電阻是不起作用的，這個(gè)時(shí)候即使配置了上拉或下拉模式，也不會(huì)影響到模擬信號(hào)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(fù)用功能模式，

　　開(kāi)漏輸出模式(帶上拉或者下拉)

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

　　在開(kāi)漏輸出模式時(shí)，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(dǎo)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(shí)，高電平，則P-MOS管和N-MOS管都關(guān)閉，輸出指令就不會(huì)起到作用，此時(shí)I/O端口的電平就不會(huì)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(méi)有上拉或者下拉 IO口就處于懸空狀態(tài)

　　并且此時(shí)施密特觸發(fā)器是打開(kāi)的，即輸入可用，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實(shí)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(dǎo)通，低電平關(guān)閉，下方的N-MOS低電平導(dǎo)通，高電平關(guān)閉)

　　在推挽輸出模式時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)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(méi)有輸出時(shí)IO口電平

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

　　復(fù)用開(kāi)漏輸出(帶上拉或者下拉)

　　GPIO復(fù)用為其他外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無(wú)效; 輸出的高低電平的來(lái)源于其它外設(shè)，施密特觸發(fā)器打開(kāi)，輸入可用，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實(shí)際狀態(tài) 除了輸出信號(hào)的來(lái)源改變其他與開(kāi)漏輸出功能相同

　　復(fù)用推挽輸出(帶上拉或者下拉)

　　GPIO復(fù)用為其他外設(shè)(如 I2C)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無(wú)效; 輸出的高低電平的來(lái)源于其它外設(shè)，施密特觸發(fā)器打開(kāi)，輸入可用，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)寄存器可獲取I/O實(shí)際狀態(tài) 除了輸出信號(hào)的來(lái)源改變其他與開(kāi)漏輸出功能相同

　　開(kāi)漏輸出和推挽輸出的區(qū)別：

　　推挽輸出：

　　可以輸出強(qiáng)高低電平，連接數(shù)字器件

　　推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制,總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止.

　　開(kāi)漏輸出：

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

　　在使用任何一種開(kāi)漏模式時(shí)，都需要接上拉電阻，否則只能輸出低電平

　　補(bǔ)充介紹三極管NPN PNP

　　三極管也是只有在某些條件下才會(huì)導(dǎo)通。常用做開(kāi)關(guān)電路。

　　三極管分為PNP和NPN兩種，但是原理是類似的。

　　對(duì)于三極管，只需記住通過(guò)基極b和發(fā)射機(jī)e的導(dǎo)通控制集電極c和發(fā)射機(jī)e的導(dǎo)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(dǎo)通，從而導(dǎo)致ce之間導(dǎo)通。那么V2就與低相連，V2=0。

　　通常Vb-Ve > 0.7v就認(rèn)為be之間導(dǎo)通，根據(jù)材質(zhì)這個(gè)電壓可能會(huì)變化。

　　Vcon = 1，be導(dǎo)通，ce導(dǎo)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(gè)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(dǎo)通，從而導(dǎo)致ec之間導(dǎo)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(dǎo)通，ec導(dǎo)通，V2 = V為高電平。

　　常見(jiàn)基本電路知識(shí)

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

　　開(kāi)漏輸出電路：IN端輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，使輸出接地，IN端輸出高電平時(shí)，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(shí)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(lái)檢測(cè)外部信號(hào);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(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)的場(chǎng)合。在STM32的應(yīng)用中，除了必須用開(kāi)漏模式的場(chǎng)合，我們都習(xí)慣使用推挽輸出模式。

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

　　復(fù)用功能的開(kāi)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(jì)的更加高級(jí)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(dòng)器外部，使得輸出模式下也可以實(shí)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(gè) GPIO_InitTypeDef 類型的結(jié)構(gòu)體

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

　　一共有5個(gè)參數(shù)

　　2開(kāi)啟 LED 相關(guān)的 GPIO 外設(shè)時(shí)鐘(時(shí)鐘必要)

　　RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*開(kāi)啟 AHB1時(shí)鐘*/

　　Q:為什么要設(shè)置時(shí)鐘?

　　任何外設(shè)都需要時(shí)鐘，51單片機(jī)，stm32，430等等，因?yàn)榧拇嫫魇怯蒁觸發(fā)器組成的，往觸發(fā)器里面寫東西，前提條件是有時(shí)鐘輸入。stm32是低功耗，他將所有的門都默認(rèn)設(shè)置為disable(不使能)，在你需要用哪個(gè)門的時(shí)候，開(kāi)哪個(gè)門就可以，也就是說(shuō)用到什么外設(shè)，只要打開(kāi)對(duì)應(yīng)外設(shè)的時(shí)鐘就可以，其他的沒(méi)用到的可以還是disable(不使能)，這樣耗能就會(huì)減少。

　　Q:為什么 STM32 要有多個(gè)時(shí)鐘源呢?

　　因?yàn)槭?先 STM32 本身非常復(fù)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(shí)鐘這么高的頻率，比如看門狗以及 RTC 只需要幾十 k 的時(shí)鐘即可。同一個(gè)電路，時(shí)鐘越快功耗越大，同時(shí)抗電磁干擾能力也會(huì)越弱，所以對(duì)于較為復(fù)雜的 MCU 一般都是采取多時(shí)鐘源的方法來(lái)解決這些問(wèn)題。

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

　　RCC_AHB1