1、基本結構

STM32 GPIO是通用輸入/輸出端口的英文簡稱，其可實現輸入、輸出、驅動、通信等功能，STM32的I/O 端口有8種模式（4種輸入模式和4種輸出模式），每個 I/O 端口位支持3種最大翻轉速度（2MHz、10MHz、50MHz），均可自由編程，但I/O 端口寄存器必須按 32 位字、半字（16位）或字節（8位）進行訪問，具體模式如下所示：

浮空輸入

上拉輸入

下拉輸入

模擬輸入

開漏輸出

推挽輸出

復用功能推挽輸出

復用功能開漏輸出

以STM32L011為例（其他STM32處理器大同小異），GPIO基本結構如下所示：

關鍵器件解析：

1、保護二極管：防止I/O引腳外部過高、過低的電壓輸入，當引腳電壓高于VDDIOx時，上方的二極管導通；當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀。

2、開關：開關為TTL肖特基觸發器，將模擬信號轉化為0和1的數字信號，但當GPIO作為ADC采集電壓通道時，此時信號不再經過觸發器進行TTL電平轉換。

3、P-MOS、N-MOS：單元電路使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的功能。

2、4種輸入模式

STM32具有浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入和模擬輸入4種輸入模式。

浮空輸入模式，I/O端口的電平信號由外部輸入決定，電平狀態不確定，最終直接進入輸入數據寄存器。浮空輸入通常用于配置USART的RX引腳，如下圖所示：

上拉輸入模式，I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，電平狀態保持在高電平，當輸入低電平時，電平狀態是低電平，最終直接進入輸入數據寄存器，如下圖所示：

下拉輸入模式，I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，電平狀態保持在低電平，當輸入高電平時，電平狀態是高電平，最終直接進入輸入數據寄存器，如下圖所示：

模擬輸入模式，I/O端口的模擬信號（電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，比如ADC模塊等。模擬輸入通常應用于ADC模擬輸入，或者低功耗下省電等情景，如下圖所示：

3、4種輸出模式

STM32有開漏輸出、推挽輸出、復用功能開漏輸出和復用功能推挽輸出4種輸出模式（本文STM32L011的上、下拉電阻為公共區域，所以輸出模式具有上拉或下拉功能）。

開漏輸出模式，通過配置置位/復位寄存器或者輸出數據寄存器的值，途經N-MOS管，最終輸出到I/O端口。開漏輸出只可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高，輸出端相當于三極管的集電極，適合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)，如下圖所示：

需要注意N-MOS管的特性，當設置輸出的電平狀態為高電平時，N-MOS管處于關閉狀態，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高低電平決定，而是由I/O端口內部或者外部的上拉或者下拉決定；當設置輸出的電平狀態為低電平時，N-MOS管處于開啟狀態，此時I/O端口的電平就是低電平。

推挽輸出模式，通過配置置位/復位寄存器或者輸出數據寄存器的值，P-MOS管和N-MOS管，最終輸出到I/O端口。推挽輸出可以輸出強高、低電平，連接數字器件，如下圖所示：

需要注意P-MOS管和N-MOS管的特性，當設置輸出的電平狀態為高電平時，P-MOS管處于開啟狀態，N-MOS管處于關閉狀態，此時I/O端口的電平就由P-MOS管決定：高電平；當設置輸出的電平狀態為低電平時，P-MOS管處于關閉狀態，N-MOS管處于開啟狀態，此時I/O端口的電平就由N-MOS管決定：低電平。

復用功能開漏輸出模式、復用功能推挽輸出模式的原理和開漏輸出模式、推挽輸出模式原理基本一致，只不過輸出的高低電平，不是由MCU配置置位/復位寄存器或者輸出數據寄存器的值，而是利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的（通信接口（SPI，UART，I 2 C，USB，CAN，LCD等）、定時器、調試接口等復用）。復用功能開漏輸出通常用于TX1、MOSI、MISO等引腳的配置，復用功能推挽輸出通常用于I2C的SCL、SDA。以復用功能推挽輸出模式為例，實現原理如下圖所示：

4、GPIO選型和配置

如何選擇適合其應用開發的GPIO模式和配置呢？請參考下圖所示。