STM32 关于IO的8种模式

wangbo411326

复用功能：
即片内外设，包括UART、SPI、CAN、I2C等等，开启这些外设的功能，就是使用了系统的复用功能。
复用功能有两种：没有重映像、重映像（包括部分重映像、完全重映像），使用引脚用作AFIO功能，同样需要对其进行配置。
通用功能：
即GPIO功能，当做普通的I/O引脚使用。
复位期间和刚复位后，复用功能未开启，I/O端口被配置成浮空输入模式(CNFx[1:0]=01b，MODEx[1:0]=00b)。 复位后，JTAG引脚被置于输入上拉或下拉模式：
PA15：JTDI置于上拉模式
PA14：JTCK置于下拉模式
PA13：JTMS置于上拉模式
PB4： JNTRST置于上拉模式
当作为输出配置时，写到输出数据寄存器上的值(GPIOx_ODR)输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(当输出0时，只有N-MOS被打开)使用输出驱动器。
输入数据寄存器(GPIOx_IDR)在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。
所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉，当配置为输入时，它们可以被激活也可以被断开。
GPIO支持的可配置模式：
stm32 官方固件库的定义：
/**
  * @brief  Configuration Mode enumeration  
  */
typedef enum
{
  GPIO_Mode_AIN = 0x0,                                                 /* 模拟输入 */
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,                                        /* 输入浮空 */
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,                                                /* 输入下拉 */
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,                                                /* 输入上拉 */
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,                                        /* 开漏输出 */
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,                                        /* 推挽式输出 */
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,                                        /* 开漏复用 输出 */
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18                                        /* 推挽式复用 输出 */
}GPIOMode_TypeDef;
推挽与开漏：
推挽：
又叫做推拉，是个很形象的名字。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极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。
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放大任务,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。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。
STM32中 I/O端口位的基本结构：
开漏：
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)。
开漏的应用场景：
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(VCC=3.3V、5V)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。当多个引脚任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。
STM32中IO模式选用参照：
浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的；
带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入  ==悬空时，处于高电平状态
带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入 ==悬空时，处于低电平状态
模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
开漏输出_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_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_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
系统性的总结如下：
作为普通GPIO输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
作为普通GPIO输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。
关于I2C模拟（对速度要求不是很高可以用，高的话还是建议用硬件I2C代码可由ST CUBE直接生成）：
关于I2C的 SDA引脚，要求可读可写(双向I/O)的特性，从前面可以看到，只有开漏输出模式能够达到这个目的，前提是外围需要上拉电阻的配合(开漏模式的特性)
  GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = HTU20_SDA_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_OD;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
  GPIO_Init(HTU20_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);

工作模式对应的I/O电平状态数据(悬空场景下)：
GPIO8种工作模式，除了GPIO_Mode_AIN==模拟输入 ，改变电平不能够读到，其他的7中，均可以正确的读取到电平的变化；7种模式的不同，体现在悬空时，所处于的电平高低状态不同。
GPIO_Mode_IPU： 高电平；
GPIO_Mode_IPD： 低电平；
GPIO_Mode_IN_FLOATING： 低电平；==状态不确定 体现在？？？

GPIO_Mode_Out_OD： 低电平；
GPIO_Mode_Out_PP：  低电平；==状态不确定 体现在？？？
GPIO_Mode_AF_OD：   低电平；
GPIO_Mode_AF_PP：   低电平；

xiaobing77

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