1個(gè)GPIO可以代表多少種功能？關(guān)于GPIO復(fù)用那些事

Word個(gè)GPIO可以代表多少種功能？關(guān)于GPIO復(fù)用那些事今天是（芯片）引腳解讀系列（視頻）的第二期，來說一說GPIO引腳——

以下是相關(guān)文字稿：

GPIO全名為（GeneralPurposeInputOutput），即通用輸入輸出端口，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候一般簡稱為“IO口”，在（芯片封裝）的時(shí)候，通過（電子）引線從芯片內(nèi)部引出到外部引腳，通過這些外部引腳，可以實(shí)現(xiàn)（傳感器）（信號(hào)）讀取和控制信號(hào)輸出。

其實(shí)呀，我們?cè)趯W(xué)習(xí)（單片機(jī)）的時(shí)候，就是在學(xué)習(xí)怎樣控制單片機(jī)采集外部信號(hào)和對(duì)外輸出控制信號(hào)，這里的描述中，“怎樣控制”就是指控制邏輯或控制算法；“采集外部信號(hào)”就是指如何讀取外接輸入信號(hào)并解析的過程，可以根據(jù)外部信號(hào)的特性，配置合適的輸入模式，外部信號(hào)包括數(shù)字信號(hào)和（模擬）信號(hào)；“輸出控制信號(hào)”就是指單片機(jī)以配置的輸出模式、輸出速率、信號(hào)類型（模擬/數(shù)字信號(hào)）通過引腳對(duì)外部設(shè)備輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。下面我們就來具體聊一聊單片機(jī)GPIO的特性與配置，這里我們以（STM32）Fxx系列的（DateSheet）為例講述。

我們?cè)诓榭碊ateSheetGPIO這部分時(shí)，首先要看的就是GPIO相關(guān)的縮寫說明，這里主要是一些參數(shù)縮寫描述。

GPIO的三種工作模式：

（一）輸入模式

第一種是上拉輸入/下拉輸入/浮空輸入：

上拉輸入就是通過一個(gè)電阻將I/O連接到VCC或指定（電源），目的是為了保證在無信號(hào)輸入時(shí)輸入端的電平為高電平，而在信號(hào)輸入為低電平時(shí)，輸入端的電平應(yīng)該也為低電平。同樣，下拉電阻它是為了保證無信號(hào)輸入時(shí)輸入端的電平為低電平，有輸入信號(hào)時(shí)輸入端保持高電平。浮空輸入呢就是信號(hào)輸入端既不上拉也不下拉，此時(shí)，I/O口處于高阻態(tài)，我們也將其稱為浮空輸入狀態(tài)，在無信號(hào)輸入的情況下，此時(shí)I/O端口的電平是不確定的。了解了這幾種輸入模式的特性，那我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)該怎樣選擇配置呢？這里我們舉幾個(gè)例子：

1）獨(dú)立按鍵（無源電路）：

這種連接方式，在不配置上拉/下拉模式時(shí)，當(dāng)按鍵按下時(shí)，具有確定的輸入狀態(tài)，當(dāng)按鍵彈起時(shí)，此時(shí)I/O端口的輸入狀態(tài)不確定，當(dāng)受到外部干擾時(shí)，就容易出現(xiàn)誤觸發(fā)。所以此時(shí)就需要將I/O口的模式配置為上拉/下拉模式，在按鍵按下或彈起時(shí)均有確定轉(zhuǎn)態(tài)。

2）獨(dú)立按鍵（外接上拉/下拉電阻）：

這個(gè)電路在按鍵按下或彈起時(shí)，均具有確定的狀態(tài)，此時(shí)，我們可以將I/O配置為浮空輸入模式，除此之外，我們一般在電路中還可以并聯(lián)一個(gè)104的瓷片（電容），做按鍵去抖動(dòng)。

3）有源傳感器：

下面電路是有源傳感器與單片機(jī)I/O連接的電路，傳感器在正常工作狀態(tài)下，均具有確定的狀態(tài)，此時(shí)，我們可以將I/O配置為浮空輸入模式。

由這幾個(gè)實(shí)例可知，當(dāng)接入I/O的（硬件）工作在任意狀態(tài)下其輸出信號(hào)都有穩(wěn)定值（高電平或低電平），此時(shí)，可以將單片機(jī)I/O配置為浮空輸入模式；當(dāng)接入I/O的硬件只能夠輸出一種確定狀態(tài)時(shí)，為保證不受外部干擾，此時(shí)，就需要將I/O配置為上拉/下拉模式。

在我們的設(shè)計(jì)中，也要靈活使用模式，因?yàn)閱纹瑱C(jī)自帶的上拉/下拉電阻為定值，有時(shí)不符合我們的設(shè)計(jì)要求，此時(shí)，就需要自己選擇合適的外接上拉/下拉電阻。

第2種是模擬輸入，

就是將外部信號(hào)傳入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器，然后單片機(jī)就可以將外部模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再進(jìn)行后續(xù)處理（數(shù)字濾波、閾值分析、計(jì)算等），帶A/D轉(zhuǎn)換功能的引腳都是芯片出廠就確定的。

高阻態(tài)模擬配置

連接到（ADC）輸入的模擬輸入

（二）輸出模式

第一種是開漏輸出與推挽輸出

單片機(jī)的I/O輸出結(jié)構(gòu)如上圖所示，由一個(gè)P-MOS與N-MOS組成，通過配置，可以通過控制P-MOS與N-MOS的導(dǎo)通，使輸出配置為開漏或推挽輸出。當(dāng)P-MOS禁止時(shí)，輸出配置為開漏輸出，開漏模式一般應(yīng)用在（I2C）、SMBUS通訊等需要“線與”功能的總線電路中，在開漏輸出模式下，P-MOS管不工作，只有N-MOS管起作用。若輸出數(shù)據(jù)（寄存器）的值為0，則N-MOS導(dǎo)通，IO口輸出低電平；若輸出數(shù)據(jù)寄存器的值為1，則N-MOS截止；由于P-MOS不工作，此時(shí)IO口既不是高電平，也不是低電平，這種狀態(tài)被稱為高阻態(tài)。

當(dāng)P-MOS使能時(shí)，輸出配置為推挽輸出，推挽輸出又叫推拉輸出，是最常見的輸出配置了，正如它的名字那樣，推挽輸出能夠驅(qū)動(dòng)輸出兩種電平。一種是拉接到地（從負(fù)載灌入（電流）），另一個(gè)被推到電源電壓（輸出電流到負(fù)載），在（集成電路）中一般使用兩個(gè)（晶體管）搭建，推挽輸出模式可以提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。推挽輸出模式下，若輸出數(shù)據(jù)寄存器的值為0，則N-MOS導(dǎo)通，P-MOS截止，IO口輸出低電平；若輸出數(shù)據(jù)寄存器的值為1，則N-MOS截止，P-MOS導(dǎo)通，IO口輸出高電平。

第二種是模擬輸出，就是將外部信號(hào)傳入單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換器，然后單片機(jī)就可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出了，同樣，帶D/A轉(zhuǎn)換功能的引腳都是芯片出廠就確定的。

（三）復(fù)用模式

復(fù)用功能配置

我們知道，STM32Fxx內(nèi)部集成了很多的外設(shè)控制器，比如USART、S（PI）、bx（CAN）等等，這些外設(shè)控制器，也需要通過引腳與外設(shè)連接。復(fù)用功能是相對(duì)于單片機(jī)的引腳而言的，所謂“復(fù)用功能”，是指單片機(jī)的引腳既可以做普通GPIO使用，也可以作為內(nèi)部外設(shè)控制器的引腳來使用。例如，PA5可以作為普通GPIO來使用；其次，如果作為外設(shè)的引腳，它可以作為SPI1的（時(shí)鐘）（SPI1_SCK）、（DAC）的輸出通道1（DAC_OUT1）或者（AD）C的輸入通道5（ADC12_IN5），但是，PA5支持的三種外設(shè)（SPI1、DAC、ADC）在同一時(shí)刻只能選擇一種，選擇的方法是開啟相應(yīng)外設(shè)的時(shí)鐘，并使其它外設(shè)的時(shí)鐘保持關(guān)閉狀態(tài)。

那我們?cè)趺磁渲媚?？這里主要有兩種配置方式，第一種就是通過代碼直接配置，在我學(xué)習(xí)STM32的時(shí)候，官方只提供了標(biāo)準(zhǔn)庫，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候需要按照標(biāo)準(zhǔn)庫開發(fā)指南來進(jìn)行配置，這種方式配置比較麻煩，也容易出錯(cuò)，有時(shí)候移植代碼會(huì)造成功能沖突，我們?cè)趯懘a的時(shí)候，不怕報(bào)錯(cuò)，就怕不報(bào)錯(cuò)功能還不對(duì)，我在幾次項(xiàng)目中都發(fā)生過這種情況，通過查找，基本都是I/O配置沖突。

標(biāo)準(zhǔn)庫配置GPIO

這幾年隨著HAL庫的推廣，HAL庫得到了廣泛應(yīng)用，加上ST公司對(duì)STM32的生態(tài)環(huán)境打造，我們可以通過STM32CubeMX進(jìn)行配置，STM32CubeMX是STM32Cube生態(tài)里用來芯片初始化配置的圖形化配置工具。通過分步配置過程可以非常輕松地配置STM32微控制器和微處理器。

第一步包括選擇與所需外設(shè)集匹配的（意法半導(dǎo)體）STM32微控制器、微處理器或開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)包括在特定開發(fā)平臺(tái)上運(yùn)行的示例。對(duì)于微處理器，第二步允許配置GPIO和設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘，并交互地將外設(shè)分配給（Arm）Cortex-M或Cortex-A內(nèi)核，通過引腳分配沖突處理器、時(shí)鐘樹設(shè)置助手、功耗計(jì)算器，以及用于配置外設(shè)（如GPIO或USART）和中間件棧（如（USB）或TCP/IP）的實(shí)用工具來配置各個(gè)必需的（嵌入式軟件）。最終，用戶可以生成與所選配置匹配的軟件包。

然后，可以將生成的初始化工