stm32f407探索者开发板(三)——GPIO工作原理(内部结构说明、八种输入输出分析、GPIO寄存器说明)(上)

简介: stm32f407探索者开发板(三)——GPIO工作原理(内部结构说明、八种输入输出分析、GPIO寄存器说明)(上)

一、GPIO基本结构和工作方式


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GPIOA_0----GPIOA_15(16个)

A-G(7组)

16*7=112

+PH0\PH1=114

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拥有这个FT,说明是可以容忍5V电压的,大多数都是可以容易的,后面的是一些复用外设(串口中断等等)

工作方式:


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F1和F4的最大区别就是把上拉和下拉移到了外部


二、内部结构介绍


还是用M3的GPIO进行介绍哈,输入和输出是相对于内部而言

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(1)、保护二极管


引脚内部加上这两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入。

当引脚电压高于 VDD_FT 或 VDD 时,上方的二极管导通吸收这个高电压。

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。


(2)、上下拉电阻


上拉和下拉电阻上都有一个开关,通过配置上下拉电阻开关,可以控制引脚的默认状态电平。

当开启上拉时引脚默认电压为高电平,

开启下拉时,引脚默认电压为低电平,这样就可以消除引脚不定状态的影响。

将上拉和下拉的开关都关断,这种状态我们称为浮空模式,一旦配置成这个模式,引脚的电压是不确定的,如果用万用表测量此模式下管脚电压时会发现只有 1 点几伏,而且还不时改变,所以一般情况下我们都会给引脚设置成上拉或者下拉模式,使它有一个默认状态。

STM32 上下拉及浮空模式的配置是通过GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器控制的。

STM32 内部的上拉其实是一个弱上拉,也就是说通过此上拉电阻输出的电流很小,如果想要输出一个大电流,那么就需要外接上拉电阻了。


(3)、P-MOS 和 和 S N-MOS


GPIO 引脚经过两个保护二极管后就分成两路,


上面一路是“输入模式”,下面一路是“输出模式”。


输出模式,线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS管组成的单元电路,这让 GPIO 引脚具有了推挽和开漏两种输出模式。


推挽输出模式,是根据 P-MOS 和 N-MOS 管的工作方式命名的。


在该结构单元输入一个高电平时,P-MOS 管导通,N-MOS 管截止,对外输出高电平(3.3V)。


在该单元输入一个低电平时,P-MOS 管截止,N-MOS 管导通,对外输出低电平(0V)。


如果当切换输入高低电平时,两个 MOS 管将轮流导通,一个负责灌电流(电流输出到负载),一个负责拉电流(负载电流流向芯片),使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。下图为推挽输出模式的等效电路。


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在开漏输出模式时,不论输入是高电平还是低电平,P-MOS 管总处于关闭状态。


当给这个单元电路输入低电平时,N-MOS 管导通,输出即为低电平。


当输入高电平时,N-MOS 管截止,这个时候引脚状态既不是高电平,又不是低电平,我们称之为高阻态。


如果想让引脚输出高电平,那么引脚必须外接一个上拉电阻,由上拉电阻提供高电平。开漏输出模式等效电路图如下图所示。


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在开漏输出模式中还有一个特点,引脚具有“线与”关系。即多个开漏输出模式的引脚接在一起,只要有一个引脚为低电平,其他所有管脚都为低电平,即把所有引脚连接在一起的这条总线拉低了。


只有当所有引脚输出高阻态时这条总线的电平才由上拉电阻的 VDD 决定。如果 VDD 连接的是 3.3V,那么引脚输出的就是 3.3V,如果 VDD 连接的是 5V,那么引脚输出的就是 5V。因此如果想要让 STM32 管脚输出 5V,可以选择开漏输出模式,然后在外接上拉电阻的电源 VDD 选择 5V 即可,前提是这个 STM32 引脚是容忍 5V 的。开漏输出模式一般应用在 I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。还可以用在电平不匹配的场合中,就如上面说的输出 5V 一样。


推挽输出模式一般应用在输出电平为 0-3.3V 而且需要高速切换开关状态的场合。除了必须要用开漏输出模式的场合,我们一般选择推挽输出模式。要配置引脚是开漏输出还是推挽输出模式可以使用GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH 寄存器。


一般选用推挽输出(0-3.3和告诉切换开关)


(4)、输出数据寄存器


双 MOS 管结构电路的输入信号,是由 GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的,因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。


(5)、复用功能输出


由于 STM32 的 GPIO 引脚具有第二功能,因此当使用复用功能的时候,也就是通过其他外设复用功能输出信号与 GPIO 数据寄存器一起连接到双 MOS 管电路的输入,其中梯形结构是用来选择使用复用功能还是普通 IO 口功能。例如我们使用 USART 串口通讯时,需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚,这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能,由串口外设控制该引脚,发送数据。


(6)、输入数据寄存器


输入数据寄存器是由 IO 口经过上下拉电阻、施密特触发器引入。当信号经过触发器,模拟信号将变为数字信号 0 或 1,然后存储在输入数据寄存器中,通过读取输入数据寄存器 GPIOx_IDR 就可以知道 IO 口的电平状态。


(7)、复用功能输入


此模式与复用功能输出类似。在复用功能输入模式时,GPIO 引脚的信号传输到 STM32 其他片上外设,由该外设读取引脚的状态。同样,如我们使用 USART 串口通讯时,需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚,这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能,使 USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。


(8)、模拟输入输出

当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时,用作“模拟输入”功能,此时信号是不经过施密特触发器的,因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态,ADC 外设要采集到原始的模拟信号,信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地,当 GPIO 引脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时,此时作为“模拟输出”功能, DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构了,模拟信号直接通过管脚输出。


三、八种输入输出方式


3.1 输入模式(模拟、上拉、下拉、浮空)


在输入模式时,施密特触发器打开,输出被禁止。

可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。

输入模式可以配置为模拟、上拉、下拉以及浮空模式。上拉和下拉输入很好理解,默认的电平由上拉或者下拉决定。

浮空输入的电平是不确定的,完全由外部的输入决定,一般接按键的时候可以使用这个模式。

模拟输入则用于 ADC 采集。

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浮空输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说,I/O的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定;如果在该引脚悬空(在无信号输入)的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

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上拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在高电平;并且在I/O端口输入为低电平的时候,输入端的电平也还是低电平。

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下拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在低电平;并且在I/O端口输入为高电平的时候,输入端的电平也还是高电平。

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模拟输入模式下,I/O端口的模拟信号(电压信号,而非电平信号)直接模拟输入到片上外设模块,比如ADC模块等等。


3.2 输出模式(推挽/ / 开漏)


在输出模式中,推挽模式时双 MOS 管以推挽方式工作,输出数据寄存器GPIOx_ODR 可控制 I/O 输出高低电平。

开漏模式时,只有 N-MOS 管工作,输出数据寄存器可控制 I/O 输出高阻态或低电平。

输出速度可配置,有2MHz\25MHz\50MHz 的选项。此处的输出速度即 I/O 支持的高低电平状态最高切换频率,支持的频率越高,功耗越大,如果功耗要求不严格,把速度设置成最大即可。

在输出模式时,施密特触发器是打开的,即输入可用,通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 可读取 I/O 的实际状态。

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开漏输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经N-MOS管,最终输出到I/O端口。这里要注意**N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定,而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定;当设置输出的值为低电平的时候,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就是低电平。**同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,I/O端口的电平不一定是输出的电平。


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推挽输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经P-MOS管和N-MOS管,最终输出到I/O端口。这里要**注意P-MOS管和N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,P-MOS管处于开启状态,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定:高电平;当设置输出的值为低电平的时候,P-MOS管处于关闭状态,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定:低电平。**同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,此时I/O端口的电平一定是输出的电平。


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