GPIO內部結構、工作原理及相關寄存器詳解(以STM32為例)

　　1. STM32實物圖:

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201801/374607.htm

　　  

 

　　2. STM32引腳分布圖:

　　  

 

　　STM32F103ZET6:共144個引腳,7組IO口,每組16個IO口

　　7*16=112個IO口(這7組IO口分別為GPIOA,GPIOB…GPIOG)

　　例如:PGIOA包含PA0,PA1,PA2…PA15,每組16個IO口

　　二,IO口的基本結構和工作方式

　　1. STM32F1系列IO口的基本結構()IO口內部電路結構)

　　  

 

　　右側I/O引腳部分為晶片暴露在外部的引腳

　　每個引腳在數據手冊都有說明是否支持(識別))5V電壓

　　三,PGIO的8種工作方式

　　4種輸入模式

　　輸入浮空

　　輸入上拉

　　輸入下拉

　　模擬輸入

　　4種輸出模式

　　開漏輸出

　　開漏復用功能

　　推輓輸出

　　推挽復用功能

　　可配置3種最大翻轉速度

　　2MHz

　　10MHz

　　50MHz

　　四,八種工作方式講解

　　1,GPIO輸入工作模式1-輸入浮空模式

　　  

 

　　1)外部通過IO口輸入電平,外部電平通過上下拉部分(浮空模式下都關閉,既無上拉也無下拉電阻)

　　2)傳輸到施密特觸發器(此時施密特觸發器為打開狀態)

　　3)繼續傳輸到輸入數據寄存器IDR

　　4)CPU通過讀輸入數據寄存器IDR實現讀取外部輸入電平值

　　在輸入浮空模式下可以讀取外部輸入電平

　　2,GPIO輸入工作模式2-輸入上拉模式

　　  

 

　　和輸入浮空模式相比較,不同之處在於內部有一個上拉電阻連接到VDD(輸入上拉模式下,上拉電阻開關接通,阻值約30-50K)

　　外部輸入通過上拉電阻,施密特觸發器存入輸入數據寄存器IDR,被CPU讀取

　　3,GPIO輸入工作模式3-輸入下拉模式

　　  

 

　　和輸入浮空模式相比較,不同之處在於內部有一個下拉電阻連接到VSS(輸入下拉模式下,下拉電阻開關接通,阻值約30-50K)

　　外部輸入通過下拉電阻,施密特觸發器存入輸入數據寄存器IDR,被CPU讀取

　　4,GPIO輸入工作模式4-輸入模擬模式

　　  

 

　　上拉和下拉部分均為關閉狀態(AD轉換-模擬量轉換為數字量)

　　施密特觸發器為截止狀態

　　通過模擬輸入通道輸入到CPU

　　IO口外部電壓為模擬量(電壓形式非電平形式),作為模擬輸入範圍一般為0~3.3V

　　5,GPIO輸出工作模式1-開漏輸出模式

　　  

 

　　1,CPU寫入位設置/清楚寄存器BSRR,映射到輸出數據寄存器ODR

　　2,聯通到輸出控制電路(也就是ODR的電平)

　　3,ODR電平通過輸出控制電路進入N-MOS管

　　-ODR輸出1:

　　N-MOS截止,IO埠電平不會由ODR輸出決定,而由外部上拉/下拉決定

　　在輸出狀態下,輸出的電平可以被讀取,數據存入輸入數據寄存器,由CPU讀取,實現CPU讀取輸出電平

　　所以,當N-MOS截止時,如果讀取到輸出電平為1,不一定是我們輸出的1,有可能是外部上拉產生的1

　　-ODR輸出0:

　　N-MOS開啟,IO埠電平被N-MOS管拉倒VSS,使IO輸出低電平

　　此時輸出的低電平同樣可以被CPU讀取到

　　6,GPIO輸出工作模式2-開漏復用輸出模式

　　  

 

　　與開漏輸出模式唯一的區別在於輸出控制電路之前電平的來源

　　開漏輸出模式的輸出電平是由CPU寫入輸出數據寄存器控制的

　　開漏推輓輸出模式的輸出電平是由復用功能外設輸出決定的

　　其他與開漏輸出模式相似:

　　控制電路輸出為1:N-MOS截止,IO口電平由外部上拉/下拉決定

　　控制電路輸出為0:N-MOS開啟,IO口輸出低電平

　　7,GPIO輸出工作模式3-推輓輸出模式

　　  

 

　　與開漏輸出相比較:

　　輸出控制寄存器部分相同

　　輸出驅動器部分加入了P-MOS管部分

　　當輸出控制電路輸出1時:

　　P-MOS管導通N-MOS管截止,被上拉到高電平,IO口輸出為高電平1

　　當輸出控制電路輸出0時:

　　P-MOS管截止N-MOS管導通,被下拉到低電平,IO口輸出為低電平0

　　同時IO口輸出的電平可以通過輸入電路讀取

　　8,GPIO輸出工作模式4-復用推輓輸出模式

　　  

 

　　與推輓輸出模式唯一的區別在於輸出控制電路之前電平的來源

　　開漏輸出模式的輸出電平是由CPU寫入輸出數據寄存器控制的

　　開漏推輓輸出模式的輸出電平是由復用功能外設輸出決定的

　　9,推輓輸出和開漏輸出的區別:

　　推輓輸出:

　　可以輸出強高/強低電平,可以連接數字器件

　　開漏輸出:

　　只能輸出強低電平(高電平需要依靠外部上拉電子拉高),適合做電流型驅動,吸收電流能力較強(20ma之內)

　　五,STM32-IO口相關寄存器

　　每組GPIO包含系列7個寄存器(7組GPIO共包含7*7=49個寄存器)

　　兩個32位配置寄存器

　　GPIOx_CRL 低16位

　　GPIOx_CRH 高16位

　　兩個32位數據寄存器

　　GPIOx_IDR 輸入數據寄存器

　　GPIOx_ODR 輸出數據寄存器

　　一個32位置位/復位寄存器

　　GPIOx_BSRR

　　一個16位復位寄存器

　　GPIOx_BRR

　　一個32位鎖定寄存器

　　GPIOx_LCKR

　　六,STM32-IO口相關寄存器講解

　　1,埠配置寄存器:

　　STM32每組GPIO位16個IO口,每4位控制一個IO口,所以32位控制8個IO口

　　分為低16位:GPIOx_CRL和高16位:GPIOx_CRH共32位控制一組GPIO的16個IO口

　　  

 

　　如圖:以埠配置寄存器低16位為例,每四位控制一個IO口(高16位同理)

　　MODEx的2位 : 配置IO口輸出/輸出模式(1種輸出+3種不同速度的輸出模式)

　　CNFx的2位 : 配置IO口輸入/輸出狀態下(由MODEx控制)的輸入/輸出模式

　　以GPIOA_CRL為例,配置IO口PA0 -> MODE0=00(輸入模式) CNF0=10(上拉/下拉輸入模式)

　　此種配置下到底是上拉還是下拉輸入模式還需由ODR寄存器決定

　　  

 

　　關於上拉/下拉的控制我們將在下面-數據寄存器-中介紹ODR輸出寄存器時詳細說明

　　2,數據寄存器(以輸入數據寄存器GPIOx_IDR為例)

　　每一組IO口都具有一個GPIOx_IDR的32位寄存器(實際只使用低16位,高16位保留),即16位控制16個IO口,每一位控制一個

　　  

 

　　如圖：IDR寄存器共32位,0~15位代表一組IO口16個IO當前值

　　這裡我們已經了解了輸入/輸出數據寄存器,現在說下上面提到的問題:

　　當IO口配置為輸入模式且配置為上拉/下拉輸入模式(即MODEx=00 CNFx=10時),ODR決定到底是上拉還是下拉

　　1)當輸出模式時,ODR為輸出數據寄存器

　　2)當輸入模式時,ODR用作區分當前位輸入模式到底是上拉輸入(ODRx=0)還是下拉輸入(ODRx=1)

　　3,埠位設置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)

　　  

 

　　BSRR寄存器作用:

　　BSRR寄存器為32位寄存器,低16位BSx為設置為(1設置0不變),高16位BRx為重置位(1:清除0:不變)

　　當然,最終的目的還是通過BSRR間接設置ODR寄存器,改變IO口電平

　　4,埠位清除寄存器(GPIOx_BRR)

　　  

 

　　GPIOx_BRR寄存器作用同GPIOx_BSRR寄存器高16位

　　一般我們使用BSRR低16位和BRR的低16位(STM32F4系列取消了BSRR的高16位)

　　5,鎖存寄存器:使用較少暫不分析

　　七,埠的復用和重映射

　　1,埠的復用：

　　大部分IO口可復用為外部功能引腳,參考晶片數據手冊(IO口復用和重映射)

　　  

 

　　例如:STM32F103ZET6的PA9和PA10引腳可復用為串口發送和接收功能引腳,也可復用為定時器1的通道2和通道3

　　埠復用的作用：最大限度的利用埠資源

　　2,埠的重映射：

　　  

 

　　串口1默認引腳是PA9,PA10可以通過配置重映射映射到PB6,PB7

　　埠重映射的作用：方便布線

　　3,STM32所有的IO口都可作為中斷輸入(51單片機只有2個埠可以作為外部中斷輸入)