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一、GPIO架构
1、GPIO简介
GPIO （General-purpose input/output）是通用输入输出端口的简称，简单来说就是 STM32 可控制的引脚， STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。 STM32 芯片的 GPIO被分成很多组，每组有 16 个引脚0~15，如型号为 STM32F4IGT6 型号的芯片有 GPIOA、 GPIOB、 GPIOC至 GPIOI 共 9 组 GPIO，芯片一共 176 个引脚，其中 GPIO 就占了一大部分，所有的 GPIO 引脚都有基本的输入输出功能。
最基本的输出功能是由 STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把 GPIO 引脚接入到 LED 灯，那就可以控制 LED 灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。
最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把 GPIO 引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。
2、架构
（1）、二极管保护与上下拉电阻
二极管保护：之前的二极管章节进行了详细介绍，其可以保证电压稳定在：VSS-0.7V~VDD+0.7V。尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。
上下拉电阻：其可以设定默认状态的电压，上拉为高电平、下拉为低电平。也可以都不拉，就是浮空，一般不使用，电压会不确定。通过“上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR”控制引脚的上、下拉以及浮空模式。
即使内部进行了上拉，其输出电流是比较弱的，如果要驱动外置高功率还是得外部上拉或隔离驱动。
（2）P-MOS与N-MOS推挽与开漏
看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使 GPIO 具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。
所谓的推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在MOS管结构中输入低电平时，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入高电平时， N-MOS管导通， P-MOS 关闭，对外输出低电平。
然而对于BJT结构而言，在该结构中输入高电平时，上方的NPN导通，下方的PNP关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，PNP管导通，NPN关闭，对外输出低电平。
当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3 伏。
在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 1，高电平则N-MOS 管导通，使输出接地；若控制输出为 0，低电平则N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。
为正常使用时必须接上拉电阻 (可用 STM32 的内部上拉，但建议在 STM32 外部再接一个上拉电阻)。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。
若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平， 0 伏。
推挽输出模式一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。在 STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
开漏输出一般应用在 I2C、 SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为 5 伏，并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出 5 伏的电平。
通过“输出类型寄存器GPIOx_OTYPER”可以控制 GPIO 端口是推挽模式还是开漏模式。
（3）、输出数据寄存器
前面提到的双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO“输出数据寄存器 GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。
（4）、复用功能输出
“复用功能输出”中的“复用”是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制，此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与 GPIO本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。
（5）、输入数据寄存器
看 GPIO 结构框图的上半部分，它是 GPIO 引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、 1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。
（6）、复用功能输入
与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输出模式”时， GPIO 引脚的信号传输到 STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。
同样，如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，使 USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。
（7）、模拟输入与输出
当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有 0、 1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。
类似地，当 GPIO 引脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能， DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构了，在 GPIO 结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。同时，当 GPIO 用于模拟功能时 (包括输入输出)，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使在寄存器配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出。
二、GPIO工作模式
1、输入模式（上拉、下拉、浮空）
上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR。输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止。数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期更新一次，可通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。其中 AHB1 的时钟如按默认配置一般为180MHz。
2、输出模式（推挽/开漏，上拉/下拉）
输出类型寄存器GPIOx_OTYPER。在输出模式中，输出使能，推挽模式时双 MOS 管以方式工作，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 可控制 I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有 N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制 I/O 输出高阻态或低电平。
输出速度可配置，有 2MHz、25MHz、50MHz、100MHz 的选项。此处的输出速度即 I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。
此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 可读取 I/O 的实际状态。输出模式时，可使用上拉、下拉模式或浮空模式。但此时由于输出模式时引脚电平会受到ODR 寄存器影响，而 ODR 寄存器对应引脚的位为 0，即引脚初始化后默认输出低电平，所以在这种情况下，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。
3、复用功能（推挽/开漏，上拉/下拉）
复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
用于复用功能时，可使用上拉、下拉模式或浮空模式。同输出模式，在这种情况下，初始化后引脚默认输出低电平，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。
4、模拟输入与输出
模拟输入输出模式中，双 MOS 管结构被关闭，施密特触发器停用，上/下拉也被禁止。其它外设通过模拟通道进行输入输出。
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