STM32的GPIO位结构详解

对于学习STM32时，GPIO是一个最常用的一个结构，帮助实现了输入输出控制、上拉/下拉电阻、推挽/开漏等功能。但尽管十分常用，但如果没有好好的深入了解这一功能结构。在之后的STM32学习中时常会碰到配置GPIO引脚但纠结于要用开漏，推挽，还是复用等一系列问题，好像掌握了，但却又不知道如何去判断使用。因此，我直接从最底层的电路结构开始，详细讲述GPIO。

1.钳位保护二极管：结构、电性与原理

+3.3V (VDD)
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┌──┴──┐
│ D1↑ │ ← 保护上拉二极管（正向：阳极→阴极）
I/O Pin ──┤ ├──→ 内部逻辑
│ D2↓ │ ← 保护下拉二极管（反向：阴极→阳极）
└──┬──┘
|
GND

工作原理：

当 输入电压 > VDD + Vf ≈ 3.3 + 0.6 = 3.9V：

上方二极管 D1 正向导通，电流流向芯片内部 VDD，防止高压损坏内部逻辑电路

当 输入电压 < VSS – Vf ≈ 0V – 0.6V = -0.6V：

下方二极管 D2 正向导通，把异常负电压释放到地（VSS）

可能大家会问，vf是什么

Vf = 正向导通压降（Forward Voltage）

对于硅二极管，Vf ≈ 0.6~0.7V

表示当二极管阳极比阴极高约0.6V，它就会导通，允许电流流过

它的作用：

抵御静电放电（ESD）

抵御高电压误触（例如误接 5V）

保证引脚输入不会烧毁内部 MOSFET 栅极

注意：

这些二极管只能承受mA 级别电流（短时间）

如果长时间高压接入，会导致 VDD 被拖高，整个芯片不稳定或损坏

若你需要外接 5V 信号，应在串口前加 限流电阻（如 330Ω） 或光耦/电平转换芯片

2.上拉 / 下拉电阻与开关

VDD GND
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┃30kΩ ┃30kΩ
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┌─┴─────┐ ┌──────┴─┐
│上拉开关│ │下拉开关│
└──┬────┘ └────┬──┘
| |
└───GPIO 引脚───┘

它的作用：

在输入状态下，引脚可能接了按钮、传感器，有时候没有接任何东西

如果悬空，电平状态是不确定的 → 导致输入一直抖动或变化

上拉使其默认电平为高，下拉使其默认为低

稳定电平是数字逻辑正常运行的前提条件

开关控制原理

每条电阻前面有个 MOSFET 开关

由 PUPDR 寄存器控制导通：

00：全部关闭（浮空输入）

01：上拉开关导通

10：下拉开关导通

 注意事项：

这些上/下拉是内部电阻，阻值较大（30~50kΩ）

不适合做电流负载，只是用于逻辑维持

开漏模式下，必须配合外部上拉或开启内部上拉

总结

只有“悬空”才需要“拉”，只有“不能主动高”才需要“上拉”
推挽不用拉，输入/开漏必须拉！

3.TTL施密特触发器

施密特触发器的本质：

是一种带滞回特性的电压比较器。
它的作用是：避免输入信号在电平变化临界点抖动时产生多次误触发。

滞回特性图

（自己画了个小图便于理解）

滞回解释：

上升时要超过 高门槛（V_H）才认为是 1

下降时要低于 低门槛（V_L）才认为是 0

中间的电压变化不改变输出，避免毛刺、抖动

为什么 STM32 GPIO 输入必须使用施密特触发器

假设你用 GPIO 检测按钮输入：

按钮抬起/按下瞬间，可能存在抖动或接触不良

电压可能在 1.5V 附近多次震荡

没有施密特触发器时，CPU可能每次读都不一样

使用施密特触发器后，输入稳定可靠

适应模拟输入或缓慢变化信号

不是所有数字输入都是方波！有些是缓慢变化的模拟信号：（可以参考我的小图）

电容充放电

长电缆信号延迟

没有滞回，系统会频繁抖动

施密特触发器提供了数字逻辑输入的“安全门槛”

4.输出驱动结构：P-MOS & N-MOS

VDD ──┬────────────┐
│ P-MOS │
└────▲───────┘
│
GPIO ─────→ 引脚
│
┌────▼───────┐
│ N-MOS │
└────────────┘
│
GND

P-MOS（上拉）：

源极接 VDD，漏极接 GPIO

当栅极电压远低于源极时导通

即 G = 0V → 导通 → 引脚输出 VDD（高电平）

 N-MOS（下拉）：

源极接 GND，漏极接 GPIO

当栅极电压远高于源极时导通

即 G = 3.3V → 导通 → 引脚接地（低电平）

推挽模式（两者交替导通）：

输出高 → P-MOS ON, N-MOS OFF → 引脚 = VDD

输出低 → P-MOS OFF, N-MOS ON → 引脚 = GND

开漏模式（只用 N-MOS）：

输出高 → N-MOS OFF → 悬空

输出低 → N-MOS ON → 拉低

它的作用：

是引脚能否提供强电平驱动的核心器件

确保引脚能输出干净、强劲、低阻抗的电平

所以说什么时候用推挽什么时候用开漏

我总结了一个常用规律

“我一个人控制一根线” → 用推挽
“很多人共用一根线” → 用开漏

因此，总结一下。

我用 GPIO 输出一个信号 →
┌──我只用自己控制这根线？
│ ├──是 → 推挽！
│ └──否 →
│ ┌──有多个设备共用这根线？
│ │ └──是 → 开漏！
│ └──控制目标是集电极输入（如光耦）？
│ └──是 → 开漏！
└──我要输出 PWM、数字信号、UART？ → 推挽！

5.输入输出寄存器

ODR：输出数据寄存器

控制输出状态（置1输出高，置0输出低）

通过逻辑控制 P-MOS/N-MOS 开关

IDR：输入数据寄存器

读取 TTL触发器输出的值

程序判断引脚是否为高电平或低电平

BSRR：原子置位/清零寄存器

写 1 到低16位 → 设置对应引脚为高

写 1 到高16位 → 清除对应引脚为低

一次性修改多个引脚而不会中断打断 → 原子操作

6.复用输入/输出控制模块

控制逻辑：

MODER 控制当前引脚模式：

00 = 输入

01 = 输出

10 = 复用功能

11 = 模拟

AFRL / AFRH 选择复用功能编号（0~15）

AF1 = TIM

AF7 = USART

AF4 = I2C（具体看STM32引脚手册）

它的作用：

实现 GPIO 引脚的“多功能多用途” → 极大提升资源利用率

每个引脚最多可复用 16 种不同外设通道

何时用呢

不由你手动控制电平，而是由外设控制这个引脚电平！

只要你的某个引脚需要被一个“硬件外设”控制电平变化，就必须配置成复用功能输出。