GPIO的八种工作模式

GPIO的八种工作模式

GPIO是通用输入/输出端口的简称，GPIO的引脚与外部设备连接，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。GPIO的8种输入模式：包括4种输入模式和4种输出模式(2种普通输出和2种复用输出)。

GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，下面就简单的介绍一下这个电路

保护二极管：I/O引脚上的二极管是为了防止引脚外部输入过高、过低的电压时对芯片造成损坏而设置的，起到保护电路的作用。当引脚电压>VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压SS时，下方的二极管导通。

P-MOS管和N-MOS管：GPIO所具有的“推挽输出”输出和“开漏输出”模式得益于由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路。

TTL肖特触发器：可以理解为用肖特管构成的施密特触发器，模拟信号经过触发器后，就会转化为0和1的数字信号。如果GPIO引脚作为输入通道进行ADC电压采集时，用其“模拟输入”功能，信号就不会经过触发器进行TTL转换。

VDD_FT 对5V容忍I/O脚是特殊的，它与VDD不同。这句话的意思就是VDD_FT是兼容5V和3.3V的，而没有FT的是不兼容5V的。

下面具体介绍GPIO的8种工作模式：

输入模式—浮空输入

在此模式下，上图黄色阴影部分①—④的电路为通路，由①I/0端口输入电平（高电平或低电平）→保护二极管→②TTL肖特基触发器→③输入数据寄存器→④CPU，这样CPU就能读取到I/O端口处的高低电平状态。浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。它的输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准的通信协议如I2C、USART。

输入模式—输入上拉

上拉电阻：把不确定的信号通过电阻连接到高电平，默认情况下输入引脚数据为1，高电平。在上拉输入模式下，也是I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器，但是它和浮空模式的主要区别在于，输入上拉模式中上拉电阻（连接VDD）的开关闭合，上拉电阻的大小约为30—50kΩ。

输入模式—输入下拉

下拉电阻：把不确定的信号通过电阻连接到低电平，默认情况下输入引脚数据为0，低电平。在下拉输入模式下，也是I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器，同理，它和浮空模式的主要区别在于，输入下拉模式中下拉电阻（连接VSS）的开关闭合。

输入模式—模拟输入

在此模式下，数据通道中上拉、下拉电阻和TTL肖特触发器，这时均处于关断的状态，在模拟输入状态下，CPU是无法通过“输入数据寄存器”读到IO端口变化的数据了，也就是说“输入数据寄存器”就无法反映I/O端口上的电平变化的了。I/O端口的模拟信号（注意是电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块。

输出模式—开漏输出

①

若②输出控制电路接收到1（高电平），则③N-MOS管截止，那么此时 ④I/O端口处的电平不是通过②输出控制电路和③N-MOS管来控制的，而是取决于外部的“上拉”或“下拉”。

若②输出控制电路接收到 0（低电平），③N-MOS管导通，此时④I/O端口处的电平就被③N-MOS管拉低。

同时，在输出的状态下，I/O口的电平还可以通入输入电路（④I/O端口→⑥输入数据寄存器→⑦CPU读取）来读取。

输出模式—开漏复用输出

开漏复用输出模式与开漏输出模式很相似，区别在于输出的高低电平的来源，不是让CPU直接向位设置/清除寄存器写1/0然后将其映射到输出数据寄存器中，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

输出模式—推挽输出

由图可知，GPIO的推挽输出模式是在开漏输出模式的基础上，在“输出控制电路”之后，增加了一个P-MOS管。

当CPU输出逻辑“1 ”时，③P-MOS管导通，N-MOS管截止，输出高电平。

当CPU输出逻辑“0 ”时，③P-MOS管截止，N-MOS管导通，输出低电平。

同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路（④I/O端口→⑥输入数据寄存器→⑦CPU读取）进行读取。

输出模式—推挽复用输出

推挽复用输出模式与推挽输出模式相似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接向位设置/清除寄存器写1/0然后将其映射到输出数据寄存器中，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。