STM32 GPIO輸入輸出模式比較

有關(guān)推挽輸出、開漏輸出、復(fù)用開漏輸出、復(fù)用推挽輸出以及上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬輸入?yún)^(qū)別及上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬輸入的區(qū)別

最近在看數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在Cortex-M3里，對(duì)于GPIO的配置種類有8種之多：

（1）GPIO_Mode_AIN 模擬輸入
（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
（4）GPIO_Mode_IPU 上拉輸入
（5）GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出
（6）GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出
（7）GPIO_Mode_AF_OD 復(fù)用開漏輸出
（8）GPIO_Mode_AF_PP 復(fù)用推挽輸出
對(duì)于剛?cè)腴T的新手，我想這幾個(gè)概念是必須得搞清楚的，平時(shí)接觸的最多的也就是推挽輸出、開漏輸出、上拉輸入這三種，但一直未曾對(duì)這些做過歸納。因此，在這里做一個(gè)總結(jié)：

推挽輸出:可以輸出高,低電平,連接數(shù)字器件; 推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制,總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。高低電平由IC的電源低定。

推挽電路是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET,以推挽方式存在于電路中,各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù),電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

詳細(xì)理解：

如圖所示，推挽放大器的輸出級(jí)有兩個(gè)“臂”（兩組放大元件），一個(gè)“臂”的電流增加時(shí)，另一個(gè)“臂”的電流則減小，二者的狀態(tài)輪流轉(zhuǎn)換。對(duì)負(fù)載而言，好像是一個(gè)“臂”在推，一個(gè)“臂”在拉，共同完成電流輸出任務(wù)。當(dāng)輸出高電平時(shí)，也就是下級(jí)負(fù)載門輸入高電平時(shí)，輸出端的電流將是下級(jí)門從本級(jí)電源經(jīng)VT3拉出。這樣一來(lái)，輸出高低電平時(shí)，VT3 一路和 VT5 一路將交替工作，從而減低了功耗，提高了每個(gè)管的承受能力。又由于不論走哪一路，管子導(dǎo)通電阻都很小，使RC常數(shù)很小，轉(zhuǎn)變速度很快。因此，推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

開漏輸出:輸出端相當(dāng)于三極管的集電極. 要得到高電平狀態(tài)需要上拉電阻才行. 適合于做電流型的驅(qū)動(dòng),其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20ma以內(nèi)).

開漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流是從外部的VCC流經(jīng)R pull-up ，MOSFET到GND。IC內(nèi)部?jī)H需很下的柵極驅(qū)動(dòng)電流。

2.一般來(lái)說(shuō)，開漏是用來(lái)連接不同電平的器件，匹配電平用的，因?yàn)殚_漏引腳不連接外部的上拉電阻時(shí)，只能輸出低電平，如果需要同時(shí)具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。（上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小，所以負(fù)載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。）

3.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來(lái)上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大；反之延時(shí)大功耗小。所以如果對(duì)延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。

4.可以將多個(gè)開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。補(bǔ)充：什么是“線與”？：

在一個(gè)結(jié)點(diǎn)(線)上,連接一個(gè)上拉電阻到電源VCC或VDD和n個(gè)NPN或NMOS晶體管的集電極C或漏極D,這些晶體管的發(fā)射極E或源極S都接到地線上,只要有一個(gè)晶體管飽和,這個(gè)結(jié)點(diǎn)(線)就被拉到地線電平上.因?yàn)檫@些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),晶體管就會(huì)飽和,所以這些基極或柵極對(duì)這個(gè)結(jié)點(diǎn)(線)的關(guān)系是或非NOR邏輯.如果這個(gè)結(jié)點(diǎn)后面加一個(gè)反相器,就是或OR邏輯.

其實(shí)可以簡(jiǎn)單的理解為：在所有引腳連在一起時(shí)，外接一上拉電阻，如果有一個(gè)引腳輸出為邏輯0，相當(dāng)于接地，與之并聯(lián)的回路“相當(dāng)于被一根導(dǎo)線短路”，所以外電路邏輯電平便為0，只有都為高電平時(shí)，與的結(jié)果才為邏輯1。

關(guān)于推挽輸出和開漏輸出，最后用一幅最簡(jiǎn)單的圖形來(lái)概括：

該圖中左邊的便是推挽輸出模式，其中比較器輸出高電平時(shí)下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導(dǎo)通，輸出電平VS+；當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)則恰恰相反，PNP三極管導(dǎo)通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。

浮空輸入：對(duì)于浮空輸入，一直沒找到很權(quán)威的解釋，只好從以下圖中去理解了

由于浮空輸入一般多用于外部按鍵輸入，結(jié)合圖上的輸入部分電路，我理解為浮空輸入狀態(tài)下，IO的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定，如果在該引腳懸空的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入：這幾個(gè)概念很好理解，從字面便能輕易讀懂。

復(fù)用開漏輸出、復(fù)用推挽輸出：可以理解為GPIO口被用作第二功能時(shí)的配置情況（即并非作為通用IO口使用）

最后總結(jié)下使用情況：

在STM32中選用IO模式
（1） 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識(shí)別，RX1
（2）帶上拉輸入_IPU——IO內(nèi)部上拉電阻輸入
（3）帶下拉輸入_IPD—— IO內(nèi)部下拉電阻輸入
（4） 模擬輸入_AIN ——應(yīng)用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
（5）開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND，IO輸出1，懸空，需要外接上拉電阻，才能實(shí)現(xiàn)輸出高電平。當(dāng)輸出為1時(shí)，IO口的狀態(tài)由上拉電阻拉高電平，但由于是開漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變?yōu)榈碗娖交虿蛔??？梢宰xIO輸入電平變化，實(shí)現(xiàn)C51的IO雙向功能
（6）推挽輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的
（7）復(fù)用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內(nèi)外設(shè)功能（I2C的SCL,SDA）
（8）復(fù)用功能的開漏輸出_AF_OD——片內(nèi)外設(shè)功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
STM32設(shè)置實(shí)例：
（1）模擬I2C使用開漏輸出_OUT_OD，接上拉電阻，能夠正確輸出0和1；讀值時(shí)先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然后可以讀IO的值；使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；
（2）如果是無(wú)上拉電阻，IO默認(rèn)是高電平；需要讀取IO的值，可以使用帶上拉輸入_IPU和浮空輸入_IN_FLOATING和開漏輸出_OUT_OD；