GPIO
简介
General Purpose Input Output，即通用输入输出端口，简称GPIO- 作用：负责采集外部器件的信息或者控制外部器件工作，即输入输出
GPIO特点
- 不同型号,
IO口数量可能不一样- 快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期
- 每个10口都可以做中断
- 支持8种工作模式
电器特性
- 工作电压
VDD：2.0~3.6V,通常使用3.3V- 逻辑电平(输入识别)
- CMOSE
- 低电平VIL：-0.3V ~ 0.3 * VDD
- 高电平VIH：0.7 * VDD ~ VDD + 0.3V
- 5V容忍引脚(FT)
- 低电平VIL：-0.3V ~ 0.3 * VDD
- 高电平VIH：0.7 * VDD ~ 5.0V
- 输出:单个
IO，最大25mA
引脚类型
- 电源引脚(VXX)
- 晶振引脚(高速低速两组输入输出)
- 复位引脚(NRST)
- 下载引脚
- BOOT引脚(BOOTX)
- GPTO引脚(PXX)
IO端口结构
原理图
- 上图为F1，其它系列如下图
- 区别在于F1只能在输入时可以选择使用上拉还是下拉电阻
- 其他系列输入输出都可以选择使用上拉或下拉电阻
输入分析
保护二极管
以外部IO输入高电平5v为例
- 上方的二极管导通，电流过大烧坏，5v进入IO内部会烧毁其它组件(高于安全电压)
- 实际使用应该在IO引脚机上接限流电阻，内部电压：VDD(3.3)+二极管(0.3)=3.6V，安全
上拉/下拉电阻(可选)
接上拉电阻
- 如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平
- 如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平
- 实际是弱上拉,电流很小，非悬空则取决于外部
接下拉电阻
- 如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平
- 如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平
施密特/肖特基触发器
- 将模拟信号转数字信号
- 在高阈值以上为高，低阈值以下为低，中间则保持之前的
最终输入
- 模拟输入：adc,dac
- 复用功能输入：UART,I2C,SPI等
- 输入寄存器(IDR)输入：普通GPIO功能，引脚的数字信号(0,1)
输出分析
输入
通用输入有两条路
- 通过为设置清楚寄存器，间接操作输出寄存器(QDR)
- 直接操作输出寄存器
MOS管
等效电路,VDD(3.3),VSS(0)，Vgs=Vg-Vs
- P-MOS管，Vgs<0导通，通用输入输出S=1，只需要G=0则导通，导通则外部为VDD的1
- N-MOS管，Vgs>0导通，通用输入输出S=0，只需要G=1则导通，导通则输出为VSS的0
总之不同就导通
八种工作模式
四种输入
- 输入时，输出的P-MOS都是不导通的(GS相同)
- 分析与前面的输入分析一致
| 输入模式 | 特点 |
|---|---|
| 输入浮空 | 引脚浮空(即高组态)，状态不定 |
| 输入上拉 | 使用内部上拉电阻，默认(高组态)高电平，否则取决于外部 |
| 输入下拉 | 使用内部下拉电阻，默认(高组态)低电平，否则取决于外部 |
| 模拟输入 | 通用GPIO无效，用于ADC、DAC外设 |
四种输出
| 输出模式 | 特点 |
|---|---|
| 开漏输出 | 软件IIC |
| 推挽输出 | 驱动能力强，通用输出 |
| 复用开漏输出 | 片上外设功能(硬件IIC) |
| 复用推挽输出 | 片上外设功能(SPI) |
开漏输出分析
P-MOS始终关闭，输出控制添加一个VDD实现
输出0则下方N-MOS导通【通过输出控制处理，如反向器】，最终输出0
输出1，N-MOS不导通,输出悬空，是高组态。可以通过IO引脚外接上拉电阻实现输出1
或者内部外接上拉电阻实现，当然F1输出不能使用，使用其他系列可以使用
复用开漏输出
参考开漏输出
- 要输出高电平也是需要上拉电阻
- 其他输出由外设控制
推挽输出
1则P-MOS导通，输出1
0则N-MOS导通，输出0
驱动能力强(并没有电阻限流，直接接入VSS或VDD)
输出控制使用反向器即可实现
复用推挽输出
参考推挽输出
- 驱动能力强
- 输出取决于外设
GPIO输出速度
基于2MHz、10MHz和50MHz频率。
“速度”指的是输出驱动电路的响应速度，并不是输出信号的速度。
应该根据需求选择相匹配的驱动电路，达到最佳的噪声控制效果，并降低功耗。
- 对于LED、数码管、蜂鸣器等低速设备，一般设置2MHz;
- 对于串口，一般2MHz引脚速度；
- 对于I2C接口，可以选用10MHz的引脚速度；
- 对于SPI接口，可以选择50MHz的引脚速度。
- 对于复用功能的，一般设置50MHz的引脚速度。
输入不用管