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一引言

通用輸入/輸出（GPIO）是一種常見的硬件接口，在單片機(jī)中起著至關(guān)重要的作用。它們?cè)试S單片機(jī)與外設(shè)進(jìn)行數(shù)字/模擬信號(hào)的交互，用于連接各種外設(shè)、傳感器、執(zhí)行器以及其他數(shù)字/模擬電路。

(資料圖片)

本文將簡要介紹單片機(jī)GPIO的結(jié)構(gòu)及配置方法，以幫助大家更好地理解和使用這一重要的功能和接口。

二GPIO基本結(jié)構(gòu)

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GPIO端口一般由輸入數(shù)據(jù)寄存器、輸出數(shù)據(jù)寄存器、上/下拉電阻、上/下MOS管、復(fù)用功能輸入/輸出、模擬輸入/輸出以及保護(hù)二極管等幾部分組成。

圖：GPIO基本結(jié)構(gòu)

圖：單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)I/O端口位的基本結(jié)構(gòu)

1、保護(hù)二極管

引腳上最外側(cè)的兩個(gè)保護(hù)二極管可以將引腳外部過高或過低的電壓進(jìn)行鉗位，如下圖所示：

當(dāng)引腳電壓高于VDD_FT 或VDD 時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通吸收高電壓；

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。

I/O pin是受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)該點(diǎn)電壓超過VDD+VD1（典型如0.7V）時(shí)，上面的二極管導(dǎo)通。而當(dāng)該點(diǎn)電壓小于-VD2（典型如-0.7V）時(shí)，下面的二極管導(dǎo)通。

因此，該點(diǎn)電壓會(huì)被鉗制在VDD+VD1到-VD2之間。

圖：GPIO內(nèi)部保護(hù)二極管

2、上下拉電阻

上下拉電阻的作用是為了提供一個(gè)默認(rèn)的穩(wěn)定電平，使引腳在未連接外部設(shè)備時(shí)能夠保持確定的電平狀態(tài)。

（1）上拉電阻：當(dāng)一個(gè)GPIO引腳被配置為上拉時(shí)，上拉電阻被連接到高電平，確保在引腳未連接到任何外部設(shè)備時(shí)，引腳的電壓為高電平。

（2）下拉電阻：與上拉電阻相反，下拉電阻在一個(gè)GPIO引腳被配置為下拉時(shí)，確保引腳在未連接外部設(shè)備時(shí)保持低電平狀態(tài)。

GD32F4系列單片機(jī)的上下拉電阻設(shè)計(jì)與GD32F3系列設(shè)計(jì)有所變更，如下圖所示：

圖：GD32F3系列單片機(jī)GPIO內(nèi)部上/下拉電阻位置

圖：GD32F4系列單片機(jī)GPIO內(nèi)部上/下拉電阻位置

兩者的主要區(qū)別是GD32F4系列單片機(jī)將上/下拉電阻移至IO口最外側(cè)，無論輸出還是輸入模式，都可以被配置。而GD32F3系列單片機(jī)的上/下拉電阻在輸入驅(qū)動(dòng)部分。

（1）改動(dòng)好處：GPIO引腳的狀態(tài)更加穩(wěn)定；

（2）改動(dòng)缺點(diǎn)：若單片機(jī)配置為了輸出模式，GPIO配置時(shí)還打開了上/下拉電阻，那么芯片在配置為高/低電平時(shí)內(nèi)部會(huì)一直通過下/上拉電阻產(chǎn)生漏電流。

圖：輸出模式與上/下拉電阻配置沖突時(shí)的漏電路徑

對(duì)于功耗比較敏感的應(yīng)用場景：被配置為輸出模式的引腳，不應(yīng)打開其上/下拉電阻，應(yīng)將之配置為浮空；

對(duì)于穩(wěn)定性要求高于功耗的應(yīng)用場景：被配置為輸出模式的引腳，可根據(jù)外部連接情況進(jìn)行上/下拉電阻的配置。

3、上/下MOS管

MOS管在GPIO引腳內(nèi)部起著開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)等多種功能。它們通過控制電流的通斷來實(shí)現(xiàn)不同的功能，提供了靈活和可靠的控制能力，使GPIO引腳能夠與外部設(shè)備進(jìn)行有效的交互和通信。

當(dāng)GPIO被配置為輸出模式時(shí)，線路經(jīng)過輸出控制緩沖器到一個(gè)由P-MOS和N-MOS組成的雙MOS電路。

而GPIO引腳則可配置為推挽和開漏兩種輸出模式；

圖：GPIO內(nèi)部上/下MOS管

（1）推挽輸出：

GPIO輸出高電平時(shí)，PMOS導(dǎo)通、NMOS截止；

GPIO輸出低電平時(shí)，NMOS導(dǎo)通、PMOS截止；

GPIO高低電平切換，兩個(gè)MOS輪流導(dǎo)通，提高灌電流和拉電流能力；

（2）開漏輸出：

無論GPIO輸出高/低電平，PMOS始終保持關(guān)閉；

NMOS導(dǎo)通時(shí)，GPIO輸出為低電平；

NMOS截止時(shí)，GPIO引腳狀態(tài)為高阻態(tài)，引腳電平依靠外部上拉電阻拉高

開漏輸出模式的典型應(yīng)用場景為I2C總線；

4、輸入數(shù)據(jù)寄存器

GPIO口的輸入信號(hào)經(jīng)過上下拉電阻、TTL施密特觸發(fā)器引入。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過TTL施密特觸發(fā)器后，輸入信號(hào)將變?yōu)?u>數(shù)字信號(hào)0 或1，然后存儲(chǔ)在輸入數(shù)據(jù)寄存器中，處理器通過讀取“輸入數(shù)據(jù)寄存器”就可以獲取IO口電平狀態(tài)；

即對(duì)端口輸入數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀操作，將獲取當(dāng)前I/O口的狀態(tài)；

圖：GPIO內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)寄存器

5、輸出數(shù)據(jù)寄存器

輸出數(shù)據(jù)寄存器是雙MOS管結(jié)構(gòu)電路的輸入控制信號(hào)，由GPIO“輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_OCTRL”提供；

對(duì)端口輸出數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀操作，將返回上次寫入的值。

圖：GPIO內(nèi)部輸出數(shù)據(jù)寄存器

6、復(fù)用功能

GPIO的復(fù)用功能使得一個(gè)GPIO引腳可以根據(jù)具體的需求配置為不同的功能。這在設(shè)計(jì)和開發(fā)中非常有價(jià)值，可以最大限度地利用有限的引腳資源，并實(shí)現(xiàn)多種功能和接口的擴(kuò)展。

單片機(jī)一般會(huì)提供多個(gè)功能復(fù)用的GPIO引腳。這些引腳可以被配置為具有不同的功能，例如UART、SPI、I2C、PWM等。用戶可以通過配置相關(guān)寄存器或開關(guān)，選擇將GPIO引腳用于特定的功能。這樣，一個(gè)引腳就可以根據(jù)需求在不同的功能之間切換。

圖：GPIO內(nèi)部復(fù)用功能

7、模擬輸入/輸出

GPIO模擬輸入/輸出（GPIO analoginput/output）是使用通用輸入/輸出引腳（GPIO）來模擬模擬信號(hào)的輸入和輸出功能。

圖：GPIO內(nèi)部模擬輸入/輸出部分

三GPIO配置說明

GPIO的配置通常通過對(duì)相關(guān)寄存器的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。

GPIO模式可分為四種：GPIO輸入模式、GPIO輸出模式、AF模式（即復(fù)用）以及模擬模式。

下圖為GD單片機(jī)代碼中四種GPIO模式的名稱：

GPIO_MODE_INPUT：即GPIO輸入模式

GPIO_MODE_OUTPUT：即GPIO輸出模式

GPIO_MODE_AF：即GPIO復(fù)用模式

GPIO_MODE_ANALOG：即GPIO模擬模式

圖：代碼中4種GPIO模式的定義

1、GPIO輸入模式

圖：GPIO輸入模式寄存器配置表

GPIO輸入模式配置只需如下一行代碼即可。

配置函數(shù)為gpio_mode_set：

（1）參數(shù)1：GPIO組，如GPIOA

（2）參數(shù)2：GPIO模式，此處配置為輸入模式

（3）參數(shù)3：輸入模式下的IO配置，包括GPIO_PUPD_NONE（浮空模式，無上下拉電阻）、GPIO_PUPD_PULLUP（上拉模式，有上拉電阻）、GPIO_PUPD_PULLDOWN（下拉模式，有下拉電阻）三種；

（4）參數(shù)3：GPIO編號(hào)，如上述配置為GPIO_PIN_2，則代表對(duì)PA2進(jìn)行配置；

2、GPIO輸出模式

圖：GPIO輸出模式寄存器配置表

GPIO輸出模式下可配置為推挽和開漏輸出兩種不同輸出類型。

推挽和開漏輸出各自可配置：GPIO_PUPD_NONE（浮空模式，無上下拉電阻）、GPIO_PUPD_PULLUP（上拉模式，有上拉電阻）、GPIO_PUPD_PULLDOWN（下拉模式，有下拉電阻）三種狀態(tài)。

GPIO輸出模式配置需要如下兩行代碼：

設(shè)置GPIO模式：GPIO_MODE_SET

（1）參數(shù)1：GPIO組設(shè)置，如GPIOA

（2）參數(shù)2：GPIO模式設(shè)置，此處應(yīng)為GPIO_MODE_OUTPUT

（3）參數(shù)3：GPIO狀態(tài)設(shè)置，可設(shè)置為GPIO_PUPD_NONE（浮空模式，無上下拉電阻）、GPIO_PUPD_PULLUP（上拉模式，有上拉電阻）、GPIO_PUPD_PULLDOWN（下拉模式，有下拉電阻）三種三種狀態(tài)

（4）參數(shù)4：GPIO編號(hào)，如上述配置為GPIO_PIN_2，則代表對(duì)PA2進(jìn)行配置；

設(shè)置GPIO輸出配置：GPIO_OUTPUT_OPTIONS_SET

（1）參數(shù)1：GPIO組設(shè)置，如GPIOA

（2）參數(shù)2：GPIO輸出類型，此處GPIO_OTYPE_PP即推挽模式

（3）參數(shù)3：GPIO頻率設(shè)置，可設(shè)置GPIO_OSPEED_LEVEL0(2MHZ)、GPIO_OSPEED_LEVEL1(25MHZ)、GPIO_OSPEED_LEVEL2(50MHZ)、GPIO_OSPEED_LEVEL3(MAX)共4檔

（4）參數(shù)4：GPIO編號(hào)，如上述配置為GPIO_PIN_2，則代表對(duì)PA2進(jìn)行配置；

3、AF模式

圖：AF模式寄存器配置表

GPIO復(fù)用功能可參考芯片手冊(cè)的AF_MAP，AF0~AF16中即為相應(yīng)引腳可復(fù)用的功能明細(xì)。

圖：GD單片機(jī)AF_MAP表格

AF模式配置需要增加如下一行代碼啟用復(fù)用模式：

啟用復(fù)用模式：gpio_af_set函數(shù)

（1）參數(shù)1：GPIO組設(shè)置，如GPIOA

（2）參數(shù)2：AF復(fù)用通道，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的AF MAP，可查到每種通道對(duì)應(yīng)何種復(fù)用功能，如SPI對(duì)應(yīng)AF5通道，即設(shè)置GPIO_AF_5

（3）參數(shù)3：GPIO編號(hào)，如上述配置為GPIO_PIN_2，則代表對(duì)PA2進(jìn)行配置；

4、模擬模式

模擬模式對(duì)應(yīng)為單片機(jī)的ADC/DAC引腳，配置為模擬模式后，GPIO默認(rèn)為GPIO_PUPD_NONE，無需配置上下拉；

模擬模式配置需要在gpio_mode_set函數(shù)中配置：

配置函數(shù)為gpio_mode_set：

（1）參數(shù)1：GPIO組設(shè)置，如GPIOA

（2）參數(shù)2：選擇GPIO_MODE_ANALOG

（3）參數(shù)3：只可配置GPIO_PUPD_NONE，即浮空輸入

（4）參數(shù)4：GPIO編號(hào)，如上述配置為GPIO_PIN_2，則代表對(duì)PA2進(jìn)行配置；

四總結(jié)

GPIO是單片機(jī)中的重要功能，允許與外部電路進(jìn)行數(shù)字信號(hào)交互。

通過了解GPIO的結(jié)構(gòu)和配置方法，可以更好地控制和使用單片機(jī)的輸入輸出引腳，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用需求。

審核編輯：湯梓紅