![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/1010b286fc9dc66fdbca250db5b812f6.png)
## 1、首先介绍一下接口类型


接口就是芯片之间的连接方式。单片机通过GPIO与各种模块相连接，传输数据、信号。接口类型可分为以下几种：

### 1、普通GPIO接口

通常只有一个引脚，只负责输出、输入高低电平。
比如输出高低电平控制LED、蜂鸣器；作为按键输入引脚判断按键是否被按下。

### ２、协议类GPIO接口

一条或多条数据线根据某种协议传输数据，引脚仍是输出输入高低电平，但是输出输入是根据协议决定的，比如IIC协议，只有在时钟线低电平的时候，数据线才能进行高低电平转换，时钟线为高电平的时候，数据线必须保持电平不变（起始信号、结束信号除外）。
这种情况一般是用来传输比较复杂的数据，比如与各种传感器、LCD等连接。
常见的协议有IIC、SPI、CAN、FSMC等。

### ３、内存接口

比如与Nor Flash、SDRAM、DDR、网卡DM9000等连接。
这类接口有地址总线、数据总线、读数据、写数据和片选信号。

### ４、模拟接口

之前三种接口GPIO的输入输出的都是高低电平，电平信号不是０就是1。
模拟接口GPIO输入输出是不确定的。简单理解就是输入输出的是模拟信号，是可以连续变化的，能输出0-Vmax之间的任意值。
 

## 2. GPIO简介

GPIO,即通用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。
STM32F407有**7组IO**。分别为GPIOA~GPIOG，每组IO有**16个IO口**，共有**112个IO口**  通常称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。 并且F4系列是基于Cortex-M4内核  
**GPIO的复用：**
STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。   比如说串口  就是GPIO复用为串口

## 3. GPIO的工作模式

### 1、4种输入模式

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

### 2、4种输出模式

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）
（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

### 3、4种最大输出速度

（1）2MHZ  (低速)
（2）25MHZ  (中速)
（3）50MHZ  (快速)
（4）100MHZ  (高速)

**关于他们的定义，都在  stm32f4xx_gpio.h 中，都为结构体形式的定义**

## 4.GPIO框图剖析

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/8012a3c48294bb729cb20864f32038c3.png)
我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样，分别对应着GPIO的八种模式  这里我们简单的介绍下：
- **保护二极管**：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT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，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁 
- **上拉、下拉电阻：**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施密特触发器：**基本原理是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；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号    也就是高低电平  并且是TTL电平协议   这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
- **P-MOS管和N-MOS管：**信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式     **P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭**
- 注：VDD_FT  代表IO口，兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V      
- 在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“I/O电平”一列  有FT即为支持5V

 

## 5.GPIO的八种工作模式剖析：


 浮空输入模式
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/52c2866ffc8da99866b41d89a63c4798.png)
 


                
浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。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；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。(接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别

上拉输入模式
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/7bc04e1c63468f45151c42975710a6cb.png)


 IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，**IO口默认为高电平  如果I/O口输入低电平，**那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平

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                    
 IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平  如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平

模拟输入模式
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/c5a9e3e375e59d779f3420d5a6789eaa.png)


                           

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**不经过施密特触发器，直接进入ADC模块**，并且输入数据寄存器为空 ，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态

**当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的**，这个时候即使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。

**除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式**，

开漏输出模式（带上拉或者下拉）               
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/9a98ee7ea8ca7c13a7fe4b4629ba3381.png)
               


            

（**P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭）**

在**开漏输**出模式时，**只有N-MOS管工作**，如果我们控制**输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平**，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定   如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态

并且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。，I/O口的电平不一定是输出的电平   

推挽输出模式（带上拉或者下拉）
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/65b7332ee846c26e31e9d156b9fa9567.png)


（**P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭**）                          

在**推挽输出**模式时，**N-MOS管和P-MOS管都工作**，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平，  外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平

**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。I/O口的电平一定是输出的电平   

复用开漏输出（带上拉或者下拉）
 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/006a40c44061d9cfdc0654074c465618.png)


              

**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，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态    除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

复用推挽输出（带上拉或者下拉）
 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/83a0c5fbaad4b7e3182f0df4bba5178c.png)


                           

GPIO复用为其他外设(如 I2C)，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，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态    除了输出信号的来源改变 其他与开漏输出功能相同

开漏输出和推挽输出的区别：

推挽输出：

可以输出强高低电平，连接数字器件 

推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.

开漏输出：

可以输出强低电平，**高电平得靠外部电阻拉高**。输出端相当于三极管的集电极. 需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平  合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)；

**在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻，否则只能输出低电平**
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/10edacceaf9bfffaa46ff001742de489.png)


 **补充介绍三极管NPN PNP**

三极管也是只有在某些条件下才会导通。常用做开关电路。
三极管分为PNP和NPN两种，但是原理是类似的。
对于三极管，只需记住通过基极b和发射机e的导通控制集电极c和发射机e的导通。

NPN：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/99fe66565f6ceb8d681e6d81c3ada80d.png)


根据图中箭头判断电流流向。若基极电压Vb大于发射极电压Ve，则be之间导通，从而导致ce之间导通。那么V2就与低相连，V2=0。
通常Vb-Ve > 0.7v就认为be之间导通，根据材质这个电压可能会变化。
Vcon = 1，be导通，ce导通，V2 =0为低电平。
Vcon = 0，be截止，ce截止，V2 = V为高电平。
可以看到，V2电压与Vcon电压相反，所以一个三极管可以做反向电路。

PNP：
PNP型三极管与NPN的类似。
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/08381e9c884d429f7d3c9b64c31c54f7.png)
 


根据图中箭头判断电流流向。若发射极电压Ve大于基极电压Vb，则eb之间导通，从而导致ec之间导通。那么V2就与V相连，V2=V，为高电平。
Vcon = 1，eb截止，ec截止，V2 =0为低电平。
Vcon = 0，eb导通，ec导通，V2 = V为高电平。

常见基本电路知识

推挽输出电路：其中IN端输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当IN端输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平   

开漏输出电路：IN端输出低电平时，三极管导通，使输出接地，IN端输出高电平时，三极管截止，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，

在STM32中选用IO模式:

上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；
模拟输入 ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
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。
 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。
复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

F4系列与F1系列区别:

本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核  而F1系列采用Cortex-M3内核

F1系列(M3)IO口基本结构：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/1448ced3289f826ac56793b32e9271e0.png)


F4系列(M4)IO口基本结构：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/6f992293083bd18dd02756a3a2430064.png)


F4系列设计的更加高级与人性化，他将外部上下拉电阻转移到了输出/输入驱动器外部，使得输出模式下也可以实现内部上拉与下拉，方便了用户的使用，增加了灵活性

GPIO的初始化(F4)

这里我们以初始化LED为例

1.定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/

一共有5个参数
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/9cc6f616f4e7d0c1141fedc622b1a567.png)


2开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟（时钟必要）

RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);     /*开启 AHB1时钟*/

   **Q:为什么要设置时钟？**

    任何外设都需要时钟，51单片机，stm32，430等等，因为寄存器是由D触发器组成的，往触发器里面写东西，前提条件是有时钟输入。stm32是低功耗，他将所有的门都默认设置为disable(不使能)，在你需要用哪个门的时候，开哪个门就可以，也就是说用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以，   其他的没用到的可以还是disable(不使能)，这样耗能就会减少。

**Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？**

因为首 先 STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率， 比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁 干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

而相对应的外设功能所使用的时钟 在stm32f4xx.h 中即可查看到

RCC_AHB1
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/664c4ef199ee72b0c22a9cba9b7222cd.png)


RCC_APB1
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/a9237a862029d8b31d26880da77124be.png)


3选择要控制的 GPIO 引脚

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  /*选择Pin9引脚*/

可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/27b5378e67ea2e95f3477899d0342767.png)


4设置所选引脚的模式

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;   /*设定为输出模式*/

引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/c9e806d92731eaadb1c8ca9a4a287e9d.png)


5 设定所选引脚的输出类型

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

输出模式有两种：推挽输出和开漏输出   
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/ad1d0bff0e99f7bd67fdf23195a23f61.png)


**只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置**

6 设定所选管脚的速度

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz  高速模式
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/240ef9c668ce9af9be051e5b49f1068a.png)


7 设定所选管脚的上拉与下拉

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*设置引脚为上拉模式*/

可设置为：上拉，下拉，与浮空
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/33e3dfd5dbd868bfd5d195956af45958.png)


8初始化GPIO

 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);    //初始化所设置的引脚

GPIO_Init() 是官方配置的初始化函数  **第一个参数是GPIOX 第二个参数是结构体所对应GPIO各种参数的配置**

GPIO的初始化(F1)

F4的初始化相较于F1系列有了很大的改变，在配置F1系列时，结构体只有三个参数  

 **GPIO_InitTypeDef 类型的结构体**
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/109fac6499e8a2a92faf847bd52a8ef5.png)


**所选管脚的速度**
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/b8a22f479736733d67936a5b198ce57e.png)


**所选管脚的8种模式**
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-11936724/b9205515dd1379ac22387896bfb99f0d.png)


**区别：**

 F1(M-3)系列管脚速度只有三种模式  并且管脚的模式配置八种模式全部都在一起定义，直接设置即可

总归还是大同小异，不做过多介绍，看下下方配置即可

void led_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; //定义初始化结构体
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟

GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //配置模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //配置哪个IO口
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //配置IO口速度,仅输出有效
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); //初始化GPIOA的参数为以上结构体
}

接口就是芯片之间的连接方式。单片机通过GPIO与各种模块相连接，传输数据、信号。接口类型可分为以下几种：

南京观海微电子---GPIO八种模式及工作原理(电路原理和三极管)

硬件

物联网

开发工具

STM32 GPIO接口详解：介绍GPIO的4种输入模式、4种输出模式及8种工作模式，包括浮空输入、推挽输出等。分析STM32F4系列GPIO内部结构、复用功能及初始化方法，对比F1与F4系列差异，帮助开发者高效使用STM32的GPIO功能。

电磁干扰

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