目录
GPIO简介
GPIO基本结构
GPIO位结构
整体结构
硬件部分结构
结构解析
①保护二极管
作用
电压
②上下拉电阻
上下拉电阻模式
上下拉的作用
模式与电平
③模拟输入&复用功能输入
模拟输入
复用功能输入
④施密特触发器
作用
执行逻辑
⑤输出部分 输出数据寄存器
输出部分
⑥位设置/清除寄存器
位设置/清除寄存器作用
⑦MOS管
1）推免输出模式
2）开漏输出模式
3）关闭模式
GPIO模式（8种模式）
浮空输入&上拉输入&下拉输入
模拟输入
开漏输出&推挽输出
复用开漏输出&复用推挽输出
GPIO寄存器描述
GPIO简介
GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口，俗称IO口
可配置为8种输入输出模式
引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V（意为，可以在这个端口输入5V的电压，也认为是高电平，但对于输出而言，最大只能输出3.3V，因为供电就只有3.3V，可容忍5V的可参考引脚定义中带有FT的）
输出模式下可控制端口输出高低电平，用于驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等（在其他的应用场景，只要是可以用高低电平来进行控制地方，都可以用GPIO来完成；如果控制的是功率比较大的设备，只需要再加入驱动电路即可）（模拟通信协议->如I2C、SPI或者某个芯片特定的协议，都可以用GPIO的输出模式来模拟其中的输出时序部分）
输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接受数据等
（最常见可捕获按键按下事件，另外也可以读取带有数字输出的一些模块，比如光敏电阻模块、热敏电阻模块等；如果该模块输出的是模拟量，GPIO还可以配置成模拟输入的模式，再配合内部的ADC外设，就能直接读取端口的模拟电压）
GPIO基本结构
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左边为APB2外设总线
GPIO外设的名称是按照GPIOA、GPIOB、GPIOC等来命名的
每个GPIO外设，总共有16个引脚，编号是从0到15（PA0~PA15、PB0~PB15）
在每个GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器这些东西；
驱动器是用来增加信号的驱动能力的，寄存器只负责存储数据
寄存器，就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，这样就可以完成输出电平和读取电平的功能。
寄存器的每一位对应一个引脚：
输出寄存器写1，对应的引脚就会输出高电平
输出寄存器写0，对应的引脚就会输出低电平
输入寄存器读取为1，证明对应的端口目前是高电平
输入寄存器读取为0，证明对应的端口目前为低电平
（高电平都对应1，低电平都对应0）
STM32为32位单片机，所以STM32内部的寄存器都是32位的；但该端口只有16位，所以该寄存器只有低16位有对应的端口，高16位是没有用到的；
GPIO位结构
| 原图
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| 分解
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整体结构 ：
可以分为两个部分
①输入部分（上）
②输出部分（下）
硬件部分结构：
①寄存器
②驱动器
③某IO口的引脚
结构解析
①保护二极管
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作用：对输入电压进行限幅；
电压：上接VDD，为3.3V；下接VSS，为0V；
▷ 若 输入电压比3.3V高，上方二极管导通（I/O－>VDD），输入电压产生的电流会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样可避免过高电压对内部电路的伤害
▷ 若 输入电压比0V低（可为负），下方二极管导通（VSS->I/O），电流会从VSS直接流出去，而不会从内部电路汲取电流，也可以保护内部电路
▷ 如果 输入电压在0~3.3V之间，两个二极管均不会导通，这时二极管对电路没影响
这为保护二极管的用途
②上下拉电阻
上拉电阻至VDD，下拉电阻至VSS，这个开关可以通过程序进行配置
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上下拉电阻模式：
▷上面导通，下面断开，为上拉输入模式
▷下面导通，上面断开，为下拉输入模式
▷两个都断开，为浮空输入模式
上下拉的作用：
为了给输入提供一个默认的输入电平（对于数字端口，非高电平即低电平，但若输入引脚什么都不接，难以判断电平状态）
实际输入什么都不接的话，输入会处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变，而为了避免这种引脚悬空导致的输入数据不确定，就需要在这里加上上拉或者下拉电阻
模式与电平：
若接入上拉电阻，引脚悬空时，上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可称作默认为高电平的输入模式
下拉同理，为默认为低电平的输入方式
这里上下拉的阻值都比较大，为弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作
③模拟输入&复用功能输入
连接片上外设的一些端口
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模拟输入：
连接到ADC上的，因为ADC需要接收模拟量，所以那根线时接在施密特触发器前面的
复用功能输入：
连接到其他需要读取的端口的外设上，如串口的输入引脚，这根线接收的是数字量，所以在施密特触发器后面
④施密特触发器
肖特基触发器（×），应为施密特触发器
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作用：对输入电压进行整形
执行逻辑：
如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平；如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平
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使用两个比较阈值来进行判断，中间留有一定的变化范围，可以有效地避免因信号波动造成的输出抖动现象
⑤输出部分 输出数据寄存器
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输出部分：
数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制
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两种控制方式通过这个数据选择器接到了输出控制部分
如果选择通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO口输出，写数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口了
⑥位设置/清除寄存器
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位设置/清除寄存器作用：
可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位；因为输出数据寄存器同时控制16个端口，并且该寄存器只能整体读写，所以如果想单独控制其中某个端口而不影响其他端口的话，就需要一些特殊的操作方式
第一种方式：先读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去，在C语言中就是 &= 和 |=的操作（麻烦、效率不高、对于IO口的操作而言不太合适）
第二种方式：通过设置 位设置和位清除寄存器，如果对某一位进行置1，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样内部就会有电路，自动将输出数据寄存器中对应位置为1，而剩下写0位则保持不变，这样就保证了只操作其中某一位而不影响其他位，并且这是一步到位的操作
如果想对某一位进行清0的操作，就在位清除寄存器的对应位写1即可
第三种方式：读写STM32中的“位带”区域，位带的作用跟51单片机的位寻址作用差不多，在STM32中，专门分配的有一段地址区域，这段地址映射了RAM的外设寄存器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位，这就是位带的操作方式
⑦MOS管
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P-MOS（上）& N-MOS（下）
MOS管：一种电子开关
信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS；
在这里可以选择 推挽、开漏或关闭 三种输出方式：
1）推免输出模式
在推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效；
数据寄存器为1时，上管道通，下管断开，输出直接接到VDD，就是输出高电平；
数据寄存器为0时，上官断开，下管导通，输出直接接到VSS，就是输出低电平；
这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式也可以叫强推输出模式
在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都由STM32说的算
2）开漏输出模式
在开漏输出模式下，P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作；
数据寄存器为1时，下管断开，这时输出相当于断开，也就是高阻模式；
数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平；
这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的；
该开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，就是使用的开漏模式（在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰）；
还可以用于输出5V的电平信号，比如在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源，当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS，当输出高电平时，由外部的上拉电阻拉高至5V，这样就可以输出5V的电平信号，用于兼容一些5V电平的设备
3）关闭模式
关闭模式，当引脚配置为输入模式的时候，两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制
GPIO模式（8种模式）
通过配置GPIO口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式：
位结构的电路会根据我们的配置进行改变，比如开关的通断、N-MOS和P-MOS是否有效、数据选择器的选择等
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浮空输入&上拉输入&下拉输入
这三个模式的电路结构基本是一样的，区别就是上拉电阻和下拉电阻的连接；
它们都属于数字的输入口，特征是都可以读取端口的高低电平；
当引脚悬空时，上拉输入默认是高电平，下拉输入默认是低电平，而浮空输入的电平是不确定的，所以在使用浮空输入时，端口一定要接上一个连续的驱动源，不能出现悬空的状态
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1）在输入模式下，输出驱动器是断开的，端口只能输入而不能输出
2）上面这两个电阻可以选择为上拉工作、下拉工作或者都不工作，对应为上拉输入、下拉输入和浮空输入
3）输入通过施密特触发器进行波形整形后，连接到输入数据寄存器
4）输入保护二极管，上面写的是VDD或者VDD_FT，二者是3.3V端口和容忍5V端口的区别，VDD_FT对5V容忍I/O脚是特殊的，与VDD不同（容忍5V的引脚，它的上边保护二极管要做一下处理，不然这里直接接VDD 3.3V的话，外部再接5V电压就会导致上边二极管开启，即I/O->VDD，并且产生比较大的电流，这样不太妥当 ）
模拟输入
特征：GPIO无效，引脚直接接入内部ADC；模拟输入
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1）输出是断开的，输入的施密特发生器也是关闭的无效状态，所以整个GPIO的这些都是没用的
2）只剩从引脚直接接入片上外设，也就是ADC；所以使用ADC的时候，将引脚配置为模拟输入就行，其他时候一般用不到模拟输入
开漏输出&推挽输出
这两个电路结构也基本一样，都是数字输出端口，可以用于输出高低电平，区别是开漏输出的高电平呈现的是高阻态，没有驱动能力，而推挽输出的高低电平都是具有驱动能力的
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1）输出是由输出数据寄存器控制的
2）P-MOS如果无效，就是开漏输出；如果P-MOS 和 N-MOS 都有效，就是推挽输出
3）在输出模式下，输入模式也是有效的（上俩图，在输入模式下，输出都是无效的，这是因为一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入，所以当配置成输出模式的时候，内部也是可以顺便输入一下，没什么影响）
复用开漏输出&复用推挽输出
跟普通的开漏输出和推挽输出差不多，只不过为复用的输出，引脚电平是由片上外设控制的
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1）通用的输出是没有连接的
2）引脚的控制权转移到了片上外设，由片上外设来控制
3）在输入部分，片上外设也可以读取引脚的电平；同时普通的输入也是有效的，顺便接收一下电平信号
4）GPIO 8种模式中，除了模拟输入会关闭数字的输入功能，在其他7个模式中，所有的输入都是有效的
其余可看手册
如外设的GPIO配置，如GPIO寄存器描述（详略如下）
GPIO寄存器描述
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GPIO配置寄存器，每个端口的模式由4位进行配置，16个端口就需要64位，所以这里的配置寄存器有两个，一个是端口配置低寄存器，一个是端口配置高寄存器；
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还有GPIO输出的速度可配置，可限制输出引脚的最大翻转速度，设计出来是为了低功耗和稳定性的，一般要求不高时配置成50MHz就可以了
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端口输入数据寄存器，就是施密特触发器后的那个输入数据寄存器；里面低16位对应16个引脚，高16位没有使用
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端口输出数据寄存器，也就是如图二的寄存器；同样，低16位对应16个引脚，高16位没有使用
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端口位设置/清除寄存器，如图二；这个寄存器的高16位是进行位清除的，低16位是进行位设置的，写1就是设置或清除，写0就是不产生影响
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端口位清除寄存器，这个寄存器的低16位和上面寄存器的高16位功能是一样的，该寄存器是为了方便操作设置的，如果只想单一地进行位设置或位清除，那么位设置时用上面的寄存器，位清除时用下面这个寄存器，这样在设置和清除时，使用的都是低16位的数据会方便一点
如果想对多个端口同时进行位设置和位清除，那就使用第一个寄存器就行，这样可以保证位设置和位清除的同步性；如果对信号的同步性要求不高的话，可以先位设置再位清除也ok
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端口配置锁定寄存器，这个可以对端口进行配置进行锁定，防止意外更改
