STM32,PY32等单片机的GPIO的8种输入输出模式深入详解

Tue, 18 Mar 2025 00:00:00 +0000

GPIO的8种输入输出模式

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32微控制器中常用的外设之一，用于连接和控制外部电路。GPIO引脚可用于输入（作为传感器的信号输入）或输出（控制器驱动外部器件）在STM32微控制器中，常见的输入输出(GPIO)模式有八种，分别是浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入、推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出.

输入模式

输入浮空（GPIO_Mode_IN_FLOATING）

输入浮空：浮空就是逻辑器件与引脚即不接高电平，也不接低电平。由于逻辑器件的内部结构，当它输入引脚悬空时，相当于该引脚接了高电平。一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。通俗讲就是浮空就是浮在空中，就相当于此端口在默认情况下什么都不接，呈高阻态，这种设置在数据传输时用的比较多。浮空最大的特点就是电压的不确定性，它可能是0V，页可能是VCC，还可能是介于两者之间的某个值（最有可能）浮空一般用来做ADC输入用，这样可以减少上下拉电阻对结果的影响

特点：引脚处于高阻抗状态，未连接到外部电路，测量外部信号电平。
应用场景：接收外部信号的状态，如按键输入、传感器输入等。

// 初始化浮空输入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 浮空输入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不设置上拉或下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

输入上拉(GPIO_Mode_IPU)

输入上拉模式：上拉就是把点位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平。电阻同时起到限流的作用。弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分
特点：具有内部上拉电阻，引脚的默认电平为高电平。
应用场景：检测外部信号为低电平时，例如按键按下。

// 初始化上拉输入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 上拉输入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;              // 上拉输入
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

输入下拉(GPIO_Mode_IPD)

输入下拉：就是把电压拉低，拉到GND。与上拉原理相似
特点：具有内部下拉电阻，引脚的默认电平为低电平。
应用场景：检测外部信号为高电平时，例如按键抬起。

// 初始化下拉输入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 下拉输入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;            // 下拉输入
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

模拟输入(GPIO_Mode_AIN)

模拟输入：模拟输入是指传统方式的输入，数字输入是输入PCM数字信号，即0,1的二进制数字信号，通过数模转换，转换成模拟信号，经前级放大进入功率放大器，功率放大器还是模拟的。
特点：用于接收连续变化的模拟信号，通常与ADC（模数转换器）配合使用。
应用场景：测量传感器信号、音频输入等模拟信号的变化。

// 初始化模拟输入模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;         // 模拟输入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不设置上拉或下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

输出模式

开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)

开漏输出：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）

开漏形式的电路有以下几个特点：

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内部仅需很下的栅极驱动电流。
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电平输出等。(上拉电阻的阻决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻越大，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。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充:什么是“线与”?:

在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑.

其实可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

特点：只能输出低电平，需要外部上拉电阻将引脚拉高；具有一定的驱动能力。
应用场景：与外部器件连接时，如I2C总线，用于与其他设备进行通信。

// 初始化开漏输出模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;     // 开漏输出模式
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // GPIO速度设置为高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

开漏复用功能(GPIO_Mode_AF_OD)

开漏复用功能：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）。端口必须配置成复用功能输出模式（推挽或开漏）

特点：具有开漏输出的特性，可用于将GPIO引脚用作特定外设的功能。
应用场景：连接到外设的特殊功能引脚，如I2C总线通信引脚、故障信号输出等。

// 初始化复用开漏输出模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;          // 复用开漏输出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不设置上拉或下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    // GPIO速度设置为高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

推挽式输出(GPIO_Mode_Out_PP)

推挽式输出：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级管分别受到互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

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方法任务，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。输出即可以向负载灌电流。推拉式输出级即提高电路的负载能力，又提高开关速度

特点：可以输出高电平和低电平，具有一定的驱动能力。
应用场景：用于驱动外部电路，如控制LED灯、驱动其他逻辑电路等。

// 初始化推挽输出模式的GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;               // GPIO引脚号
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     // 推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // GPIO速度设置为高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);         // 初始化GPIOA

推挽式复用功能(GPIO_Mode_AF_PP)

推挽式复用功能：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（并非作为通用IO口使用）

特点：具有推挽输出的特性，可用于将GPIO引脚用作特定外设的功能。
应用场景：连接到外设的特殊功能引脚，如UART串口通信引脚、PWM输出等。

// 初始化复用推挽输出模式的GPIO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;          // 复用推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 不设置上拉或下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    // GPIO速度设置为高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

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