本文章技术信息均出自：STM32F103系列超详细参考手册-中文版

一、GPIO简介

GPIO就是通用I/O(输入/输出)端口，是STM32可控制的引脚。
STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，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。

二、GPIO工作模式

1. 四种输入模式

• GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入模式
• GPIO_Mode_IPU 上拉输入模式
• GPIO_Mode_IPD 下拉输入模式
• GPIO_Mode_AIN 模拟输入模式

2. 四种输出模式

• GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出模式
• GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出模式
• GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出模式
• GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出模式

三、GPIO工作原理解析

1. I/O端口的基本结构框图

2. I/O端口的基本结构介绍

保护二极管

作用： 防止引脚外部输入过高和过低的电压，防止不正常电压引入芯片，导致芯片烧毁。
当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通。
当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通。

上拉电阻和下拉电阻

作用： 控制引脚默认状态的电压。
开启上拉的时候，引脚默认电压为高电平。
开启下拉的时候，引脚默认电压为低电平。

TTL肖特基触发器

TTL肖特基触发器其实可以理解为用肖特基管构成的施密特触发器。
作用： 将相对缓慢变化的模拟信号变成矩形信号。
当输入电压高于正向阈值电压，输出为高。
当输入电压低于负向阈值电压，输出为低。

P-MOS管和N-MOS管

作用： 使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。
P-MOS管： MCU输出为 1 导通，低电平关闭。
N-MOS管： MCU输出为 0 导通，高电平关闭。

3. GPIO工作模式解析

浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入到输入数据寄存器。
MCU直接读取I/O口电平，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定。

上拉输入模式

上拉输入模式下， I/O端口的电平信号经过上拉电阻进入到输入数据寄存器。

STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。

下拉输入模式

下拉输入模式下， I/O端口的电平信号经过下拉电阻进入到输入数据寄存器。

模拟输入模式

模拟输入模式下， I/O端口的电平信号不经过TTL肖特基触发器，直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空 ，MCU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态。
在模拟输入模式下，上拉电阻和下拉电阻是不起作用的，即使配置上拉和下拉模式，也不会有作用。

开漏输出模式

开漏输出模式下， P-MOS管不工作，只有N-MOS管工作，MCU只能控制输出低电平。
MCU输出低电平的时候，N-MOS管导通，I/O引脚输出低电平。
MCU输出高电平的时候，N-MOS管关闭，I/O引脚悬空状态。

推挽输出模式

推挽输出模式下， P-MOS管和N-MOS管都工作，MCU可以控制输出高电平和低电平。
MCU输出为 0 的时候，N-MOS管导通，I/O引脚输出低电平。
MCU输出为 1 的时候，P-MOS管导通，I/O引脚输出高电平。

复用开漏输出模式

复用开漏输出模式下， GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效， 输出的高低电平的来源于其它外设。

复用推挽输出模式

复用推挽输出模式下， GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效， 输出的高低电平的来源于其它外设。