关于32位MCU GPIO八种工作模式配置

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通常，32位MCU的GPIO有多种配置方式，如STM32、CH32 MCU的GPIO引脚都有八种配置方式，总体可分为两类：输入和输出。其中：

输入可分为：

• 浮空输入
• 上拉输入
• 下拉输入
• 模拟输入

输出可分为

• 开漏输出
• 推挽输出
• 复用开漏输出
• 复用推挽输出

上图为MCU GPIO模块的基本结构框图。下面将结合具体实例及实际测试现象对这8种配置方式进行讲解测试。

1、浮空输入模式

当GPIO引脚配置为浮空输入模式时，外部电平信号通过IO引脚传输到施密特触发器（即图中TTL肖特基触发器）并最终进入输入数据寄存器，MCU通过读取输入数据寄存器获取外部电平信号。

注：若IO引脚浮空（即无外部电平信号接入IO引脚）时，MCU读取输入数据寄存器的值是不确定的，0和1都有可能。

现象体现：

• IO引脚浮空时，读取输入电平信号可能为0，也可能为1
• IO引脚接高电平时，读取输入电平信号为1
• IO引脚接低电平时，读取输入电平信号为0

2、上拉输入模式

当GPIO引脚配置为上拉输入模式时，上拉电阻开关闭合，当IO引脚未接电平信号时，VDD（高电平信号）通过上拉电阻经过施密特触发器存入输入数据寄存器，因此未接电平信号时读取该IO引脚输入数据寄存器值为1。

现象体现：

• IO引脚浮空时，读取输入电平信号为1
• IO引脚接高电平时，读取输入电平信号为1
• IO引脚接低电平时，读取输入电平信号为0

3、下拉输入模式

当GPIO引脚配置为下拉输入模式时，下拉电阻开关闭合，当IO引脚未接电平信号时，VSS（低电平信号）通过下拉电阻经过施密特触发器存入输入数据寄存器，因此未接电平信号时读取该IO引脚输入数据寄存器值为0。

现象体现：

• IO引脚浮空时，读取输入电平信号为0
• IO引脚接高电平时，读取输入电平信号为1
• IO引脚接低电平时，读取输入电平信号为0

4、模拟输入模式

当GPIO引脚配置为模拟输入模式时，IO引脚信号直接通过模拟输入端进入片上外设模块，IO口外部电压信号为模拟量，非电平形式。通常配置ADC时GPIO引脚初始化配置为模拟输入模式。

5、开漏输出模式

当GPIO引脚配置为开漏输出模式时，通过设置 位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于截止状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于导通状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平，可通过直接读取该引脚确定输出电平信号GPIO_ReadInputDataBit()

现象体现：

当IO引脚配置输出高电平且接上拉电阻时，读该引脚信号一直为高电平信号1，如下图：

当IO引脚配置输出高电平且接下拉电阻或不接电平信号时，读该引脚信号一直为低电平信号0，如下图：

IO引脚配置输出低电平时，无论上拉还是下拉，输出信号一直为低电平信号，如下图：

6、推挽输出模式

当GPIO引脚配置为开漏输出模式时，推挽电路（push-pull）就是两个不同极性晶体管间连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的MOSFET管，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。当设置输出的值为为高电平时，P-MOS导通，N-MOS截止，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定为高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于截止状态，N-MOS管处于导通状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定为低电平，同时IO口输出的电平可以通过输入电路读取，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

现象体现：

当IO引脚配置输出高电平信号时，读该引脚信号一直为高电平信号1，此时可以通过直接读取该引脚输入数据寄存器获取输出电平信号，如下图：

IO引脚配置输出低电平时，输出信号一直为低电平信号0，此时可以通过直接读取该引脚输入数据寄存器获取输出电平信号，如下图：

7、复用开漏输出模式

当GPIO引脚配置为复用开漏输出模式时，与开漏输出模式唯一区别在于输出控制电平之前电平的来源，开漏输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的，开漏复用输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的。其他与开漏输出相似。控制电路输出高电平：N-MOS截止，IO口电平由外部上拉/下拉决定。控制电路输出低电平：N-MOS开启，IO口输出低电平。该模式通常用于配置IIC。

8、复用推挽输出模式

当GPIO引脚配置为开漏输出模式时，与推挽输出模式唯一区别在于输出控制电路之前电平的来源。开漏输出模式的输出电平是CPU写入输出数据寄存器的，推挽复用输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的。