STM32 GPIO 结构原理图详解及模式配置全解析

出处：网络整理发布于：2025-08-05 15:39:38 | 631 次阅读

在电子系统设计中，STM32 的 GPIO（通用输入输出）具有至关重要的作用，它可以被配置为多种模式，以满足不同的应用需求。这些模式包括输入浮空、输入上拉 / 下拉、模拟、推挽和开漏输出等。在输入模式里，上拉和下拉电阻的作用十分关键，它们能够确保逻辑电平的确定性，避免信号的不稳定。而输出模式分为推挽和开漏，推挽模式使用两个（一个 PMOS 和一个 NMOS）来驱动输出，能够快速地将输出驱动到适当的电平；开漏模式则需要外部上拉电阻，在一些特定的应用场景中具有独特的优势。复用功能允许 GPIO 与多个外设共享，大大提高了引脚的利用率；模拟配置则用于 ADC、DAC 等模拟信号操作，为处理模拟信号提供了便利。配置这些模式涉及到 GPIOx_PUPDR、GPIOx_OTYPER 等寄存器。

GPIO 等效原理图

STM32 产品集成了三个主要的 GPIO 基本结构，分别是三伏兼容（缩写为 TC）、三伏容限（缩写为 TT）和五伏容限（缩写为 FT）。图 1 给出了等效的 GPIO 图结构，图 2 给出了 TT 或 FT 等效的 GPIO 图结构。

输入模式配置

当 STM32 器件 I/O 引脚配置为输入时，有三种选项可供选择：

带内部上拉的输出：在 STM32 器件中使用上拉电阻，能确保在浮动输入信号的情况下具有良好定义的逻辑电平。根据应用要求，还可以使用外部上拉电阻。
带内部下拉的输入：使用下拉电阻，同样是为了确保在浮动输入信号时逻辑电平的确定性。也可根据需要使用外部下拉电阻。
浮空输入：信号电平跟随外部信号。但当没有外部信号时，施密特触发器会在由外部噪声引起的逻辑电平之间随机切换，这会增加总体消耗。

编程为输入时，I/O 端口具有以下特征：

输出被关闭；
施密特触发器输入被打开；
根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否激活上拉或下拉电阻；
输入数据寄存器每隔 1 个 AHB 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样；
通过读取 GPIOx_IDR 输入数据寄存器可获取 I/O 状态。

输出模式配置

当 STM32 器件 I/O 引脚配置为输出时，有两种选项：

推挽输出模式：推挽输出使用两个晶体管（一个 PMOS 和一个 NMOS）。当输出必须驱动为高电平状态时，顶部晶体管（PMOS）导通；当输出必须驱动为低电平状态时，底部晶体管（NMOS）导通。两个晶体管的控制通过 GPIO 端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）完成。将输出寄存器（GPIOx_ODR）的相关位写 0 可激活 NMOS 晶体管，强制 I/O 引脚接地；写 1 可激活 PMOS 晶体管，强制 I/O 引脚接通 VDD。
开漏输出模式：开漏输出模式不使用 PMOS 晶体管，而是需要一个上拉电阻。当输出必须变为高电平时，必须关闭 NMOS 晶体管，仅通过上拉电阻将电平拉高。该上拉电阻可以是内部的，典型值为 40kOhm，并通过 GPIO 端口上拉 / 下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）激活。

编程为输出时，I/O 端口具有以下特征：

可将输出缓冲器配置为开漏或推挽模式；
施密特触发器输入被打开；
根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否激活上拉或下拉电阻；
写入输出数据寄存器 GPIOx_ODR 的值将 I/O 引脚状态置位；
GPIOx_ODR 中的写入数据可从 GPIOx_IDR 中读取，该寄存器每个 AHB 时钟周期更新一次。

复用功能

在一些 STM32 GPIO 引脚上，用户可以选择复用功能输入 / 输出。每个引脚可与多达 16 个外设功能复用，例如通信接口（SPI，UART，I2C，USB，CAN，LCD 等）、、调试接口等。所选引脚的复用功能通过两个寄存器配置：GPIOx_AFRL（引脚 0 到 7）和 GPIOx_AFRH（引脚 8 到 15）。
对 I/O 端口进行编程作为复用功能时：