GPIO的八種工作模式

GPIO是通用輸入/輸出端口的簡稱，GPIO的引腳與外部設備連接，可實現與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數據的功能。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種復用輸出)。

GPIO基本結構

每個GPIO內部都有這樣的一個電路結構，下面就簡單的介紹一下這個電路

保護二極管：I/O引腳上的二極管是為了防止引腳外部輸入過高、過低的電壓時對芯片造成損壞而設置的，起到保護電路的作用。當引腳電壓>VDD時，上方的二極管導通；當引腳電壓SS時，下方的二極管導通。

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肖特觸發器：可以理解為用肖特管構成的施密特觸發器，模擬信號經過觸發器后，就會轉化為0和1的數字信號。如果GPIO引腳作為輸入通道進行ADC電壓采集時，用其“模擬輸入”功能，信號就不會經過觸發器進行TTL轉換。

VDD_FT 對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）→保護二極管→②TTL肖特基觸發器→③輸入數據寄存器→④CPU，這樣CPU就能讀取到I/O端口處的高低電平狀態。浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。也就是說，I/O的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（無信號輸入）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準的通信協議如I2C、USART。

輸入模式—輸入上拉

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

輸入模式—輸入下拉

下拉電阻：把不確定的信號通過電阻連接到低電平，默認情況下輸入引腳數據為0，低電平。在下拉輸入模式下，也是I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器，同理，它和浮空模式的主要區別在于，輸入下拉模式中下拉電阻（連接VSS）的開關閉合。

輸入模式—模擬輸入

在此模式下，數據通道中上拉、下拉電阻和TTL肖特觸發器，這時均處于關斷的狀態，在模擬輸入狀態下，CPU是無法通過“輸入數據寄存器”讀到IO端口變化的數據了，也就是說“輸入數據寄存器”就無法反映I/O端口上的電平變化的了。I/O端口的模擬信號（注意是電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，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 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管導通，此時④I/O端口處的電平就被③N-MOS管拉低。

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

輸出模式—開漏復用輸出

開漏復用輸出模式與開漏輸出模式很相似，區別在于輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接向位設置/清除寄存器寫1/0然后將其映射到輸出數據寄存器中，而是利用片上外設模塊的復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上，在“輸出控制電路”之后，增加了一個P-MOS管。

當CPU輸出邏輯“1 ”時，③P-MOS管導通，N-MOS管截止，輸出高電平。

當CPU輸出邏輯“0 ”時，③P-MOS管截止，N-MOS管導通，輸出低電平。

同時，I/O端口的電平也可以通過輸入電路（④I/O端口→⑥輸入數據寄存器→⑦CPU讀取）進行讀取。

輸出模式—推挽復用輸出

推挽復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直接向位設置/清除寄存器寫1/0然后將其映射到輸出數據寄存器中，而是利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。