详解STM32单片机I/O的几种工作模式

最近有个朋友在设计低功耗设备，用的是STM32的主控，他知道我做过很多类似的超低功耗项目，于是向我咨询了一些问题，其中就包括I/O口的几种工作模式。今天我就详细的来总结一下这几种工作模式，让大家在以后的设计中知其然也知其所以然。

先说说GPIO

在聊这8种工作模式之前，我想先说一下GPIO的概念—通用输入输出 General Purpose Input Output 简称GPIO，就是芯片引脚可以通过它们输出高、低电平，也可以通过他们输入、读取引脚的电压、电平状态。
下面的8种工作模式我将围绕下图进行分析介绍，读懂这一张图大家基本就可以完全理解STM32的GPIO了。希望大家仔细的看一看。

四种不同的输出模式

推挽输出：该模式下引脚可以输出高低电平，可连接、驱动数字器件。对于推挽有部分小伙伴可能不知道是啥意思，其实很简单，就是两个参数相同的NPN、PNP三极管或者NMOS、PMOS管以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周波形放大的任务。两只对称管每次只有一个导通，损耗小效率高，既可以提高电路的带负载能力，又可以提高开关速度。电路如下图所示，大家可以到IO内部图里面对比着找一找。

开漏输出：该模式下引脚就相当于连接到了上图NMOS的漏极，PMOS关闭去掉不存在。这时该引脚只能输出低电平，不能输出高电平，需要引脚加上拉电阻，才能得到高电平。这时一定有小伙伴疑惑，这东西没有推挽输出好用啊，错！开漏输出是有一些特别的优点的，比如：1、可用于连接与主控电平不匹配的器件，只需要将上拉电阻的上拉端连接到对方电平即可；2、以小博大，利用外部电路的驱动能力，减小内部电流，内部只需要很小的栅极驱动电流。缺点就是会有上升沿的延时，因为有上拉电阻的原因，这一点大家可以去阅读一下我的上一篇关于电平匹配的文章，里面有介绍。

复用推挽输出、复用开漏输出：顾名思义该模式下就是将引脚复用为其他功能，不再是简单的GPIO。像我们常用的UART、SPI等的输出引脚就是复用的推挽输出，而我们常用的I2C就是复用的开漏输出，这时大家就应该知道为什么我们在用I2C的时候需要上拉电阻了吧。这里给大家埋个伏笔——用I2C时为什么要开漏呢？知道的小伙伴可以在留言区回复，后面有机会分析I2C时我会详细和大家来说。

四种不同的输入模式

浮空输入：这种输入模式一般多用于检测外部高低电平状态，比如按键等。大家结合下面的IO内部图来看，浮空输入时上下拉电阻都没有连接，引脚电平状态不确定，如果引脚悬空时这种模式下读出来的数据是没意义的。

上拉、下拉输入：基本看名字大家就已经知道这种模式是怎么回事了，上图中如果上面红圈电阻接入就是上拉输入，下面红圈电阻接入就是下拉输入。上一段我说过按键输入检测用浮空输入模式，如果用上拉、下拉模式就更简单了，就可以省掉外部的上下拉电阻节约项目成本。

模拟输入：这个模式也是我们非常常用的了，那就是引脚设置为STM32内部ADC的模拟信号输入。值得注意的是这种模式就不是所有的IO都有的功能了，需要带ADC的IO口才可以设置。

补充说明些东西

关于IO引脚内部的两个保护二极管，很久以前看到有人说是用来钳位的，后来我在参加ST的研讨会时问过官方，官方答复说并不是用于钳位的而是用于做ESD保护的。当引脚作为ADC输入的时候我们必须保证输入模拟信号不超过3.6V，5V是不可以的。

上面说了芯片引脚内部有二极管保护，但是我建议大家在做设计时如果引脚引出板外最好格外再加TVS二极管来做加强保护，因为引脚连出板外很容易受静电等外界因素伤害。比如下载接口，我在空间充足的时候都会放上一个SOT-23的TVS二极管来做保护。

总结

到这里大家会发现我今天所讲的都是硬件层面的，而非软件层面上的具体设置。其实如果大家从硬件层面搞懂这几种模式，软件上就简单了，按照datasheet上面的说明进行配置就可以了。

最后来说一下近况，临近年底工作上比较忙，之前说的几个项目都跳票了，实在抱歉。但是大家不要担心，忙过这会我会腾出更多时间投身于开源项目，2020年我给自己制定的目标之一就是做更多的开源项目与大家分享。

最后的最后，感谢支持我淘宝店铺“HACK实验室”的朋友们！

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