GPIO的八種工作模式

GPIO是通用輸入/輸出端口的簡(jiǎn)稱，GPIO的引腳與外部設(shè)備連接，可實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數(shù)據(jù)的功能。GPIO的8種輸入模式：包括4種輸入模式和4種輸出模式(2種普通輸出和2種復(fù)用輸出)。

GPIO基本結(jié)構(gòu)

每個(gè)GPIO內(nèi)部都有這樣的一個(gè)電路結(jié)構(gòu)，下面就簡(jiǎn)單的介紹一下這個(gè)電路

保護(hù)二極管：I/O引腳上的二極管是為了防止引腳外部輸入過高、過低的電壓時(shí)對(duì)芯片造成損壞而設(shè)置的，起到保護(hù)電路的作用。當(dāng)引腳電壓>VDD時(shí)，上方的二極管導(dǎo)通；當(dāng)引腳電壓SS時(shí)，下方的二極管導(dǎo)通。

P-MOS管和N-MOS管：GPIO所具有的“推挽輸出”輸出和“開漏輸出”模式得益于由P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路。

TTL肖特觸發(fā)器：可以理解為用肖特管構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，模擬信號(hào)經(jīng)過觸發(fā)器后，就會(huì)轉(zhuǎn)化為0和1的數(shù)字信號(hào)。如果GPIO引腳作為輸入通道進(jìn)行ADC電壓采集時(shí)，用其“模擬輸入”功能，信號(hào)就不會(huì)經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行TTL轉(zhuǎn)換。

VDD_FT 對(duì)5V容忍I/O腳是特殊的，它與VDD不同。這句話的意思就是VDD_FT是兼容5V和3.3V的，而沒有FT的是不兼容5V的。

下面具體介紹GPIO的8種工作模式：

輸入模式—浮空輸入

在此模式下，上圖黃色陰影部分①—④的電路為通路，由①I/0端口輸入電平（高電平或低電平）→保護(hù)二極管→②TTL肖特基觸發(fā)器→③輸入數(shù)據(jù)寄存器→④CPU，這樣CPU就能讀取到I/O端口處的高低電平狀態(tài)。浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（無(wú)信號(hào)輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。它的輸入阻抗較大，一般把這種模式用于標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議如I2C、USART。

輸入模式—輸入上拉

上拉電阻：把不確定的信號(hào)通過電阻連接到高電平，默認(rèn)情況下輸入引腳數(shù)據(jù)為1，高電平。在上拉輸入模式下，也是I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器，但是它和浮空模式的主要區(qū)別在于，輸入上拉模式中上拉電阻（連接VDD）的開關(guān)閉合，上拉電阻的大小約為30—50kΩ。

輸入模式—輸入下拉

下拉電阻：把不確定的信號(hào)通過電阻連接到低電平，默認(rèn)情況下輸入引腳數(shù)據(jù)為0，低電平。在下拉輸入模式下，也是I/O端口的電平信號(hào)直接進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同理，它和浮空模式的主要區(qū)別在于，輸入下拉模式中下拉電阻（連接VSS）的開關(guān)閉合。

輸入模式—模擬輸入

在此模式下，數(shù)據(jù)通道中上拉、下拉電阻和TTL肖特觸發(fā)器，這時(shí)均處于關(guān)斷的狀態(tài)，在模擬輸入狀態(tài)下，CPU是無(wú)法通過“輸入數(shù)據(jù)寄存器”讀到IO端口變化的數(shù)據(jù)了，也就是說“輸入數(shù)據(jù)寄存器”就無(wú)法反映I/O端口上的電平變化的了。I/O端口的模擬信號(hào)（注意是電壓信號(hào)，而非電平信號(hào)）直接模擬輸入到片上外設(shè)模塊，比如ADC模塊。

輸出模式—開漏輸出

①

若②輸出控制電路接收到1（高電平），則③N-MOS管截止，那么此時(shí) ④I/O端口處的電平不是通過②輸出控制電路和③N-MOS管來控制的，而是取決于外部的“上拉”或“下拉”。

若②輸出控制電路接收到 0（低電平），③N-MOS管導(dǎo)通，此時(shí)④I/O端口處的電平就被③N-MOS管拉低。

同時(shí)，在輸出的狀態(tài)下，I/O口的電平還可以通入輸入電路（④I/O端口→⑥輸入數(shù)據(jù)寄存器→⑦CPU讀取）來讀取。

輸出模式—開漏復(fù)用輸出

開漏復(fù)用輸出模式與開漏輸出模式很相似，區(qū)別在于輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接向位設(shè)置/清除寄存器寫1/0然后將其映射到輸出數(shù)據(jù)寄存器中，而是利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來決定的。

輸出模式—推挽輸出

由圖可知，GPIO的推挽輸出模式是在開漏輸出模式的基礎(chǔ)上，在“輸出控制電路”之后，增加了一個(gè)P-MOS管。

當(dāng)CPU輸出邏輯“1 ”時(shí)，③P-MOS管導(dǎo)通，N-MOS管截止，輸出高電平。

當(dāng)CPU輸出邏輯“0 ”時(shí)，③P-MOS管截止，N-MOS管導(dǎo)通，輸出低電平。

同時(shí)，I/O端口的電平也可以通過輸入電路（④I/O端口→⑥輸入數(shù)據(jù)寄存器→⑦CPU讀取）進(jìn)行讀取。

輸出模式—推挽復(fù)用輸出

推挽復(fù)用輸出模式與推挽輸出模式相似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接向位設(shè)置/清除寄存器寫1/0然后將其映射到輸出數(shù)據(jù)寄存器中，而是利用片上外設(shè)模塊的復(fù)用功能輸出來決定的。