STM32 GPIO

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@@ Date: 2026-01-28 1238
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概念

在STM32中，GPIO 中有两个重要的概念:

端口

• 定义：STM32 将 GPIO 分成了很多个组, 每一组称为端口。端口可以看做是一个独立的GPIO外设模块。
• 命名：端口用大写字母表示，如 GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOH（具体数量取决于芯片型号）。

引脚

• 定义：引脚是芯片物理上伸出的金属“针脚”，是与外部电路进行电气连接的实际接口。它是端口的具体成员。
• 命名：由“端口字母 + 引脚编号”组成。例如：
  • PA1：表示 GPIOA端口 的 第1号引脚。
  • PC13：表示 GPIOC端口 的 第13号引脚。

电路结构

引脚模式

输入模式

1.浮空输入

• Floating Input / Input floating

• 纯粹的数字输入。引脚电平完全由外部电路决定。

• 内部既不上拉也不下拉。如果外部悬空，引脚电平将是不确定的，极易受电磁干扰影响而翻转。

• 施密特触发器开启。

• 典型应用： 连接外部已有确定驱动能力的信号，如另一个MCU的推挽输出、通信总线中主设备驱动的信号线（如UART_RX，当外部有上拉时）。

2.上拉输入

• Input pull-up

• 数字输入，内部通过一个约40kΩ的电阻连接到VDD。

• 当外部无驱动时，引脚被默认拉至高电平。

• 需要读取低电平时，外部电路需提供足够的“灌电流”将电平拉低。

• 典型应用： 按键、开关，一端接地，按下时引脚被拉低。空闲时因上拉而保持高电平。

3.下拉输入

• Input pull-down
• 数字输入，内部通过一个约40kΩ的电阻连接到VSS。
• 当外部无驱动时，引脚被默认拉至低电平。
• 需要读取高电平时，外部电路需提供足够的“拉电流”将电平拉高。
• 典型应用： 按键、开关，一端接VCC，按下时引脚被拉高。空闲时因下拉而保持低电平。

4.模拟输入

• Analog Mode
• 引脚作为ADC（模数转换器） 或DAC（数模转换器） 的通道。
• 数字功能被完全禁用。施密特触发器关闭，上下拉电阻断开。引脚上的电压被直接送至模拟外设。
• 功耗最低的输入模式，因为数字输入电路不工作。
• 典型应用： 连接温度传感器、电位器、麦克风等模拟信号源。

输出模式

1.通用推挽输出

• General-purpose output push-pull
• 最常用的输出模式。MCU可以主动驱动引脚为高电平（通过P-MOS管连接VDD）或低电平（通过N-MOS管连接VSS）。
• 输出能力强（STM32通常单引脚最大±20mA，具体看数据手册），高低电平由MCU的VDD和VSS决定。
• 两个MOS管像“推”和“挽”一样交替工作，因此得名。
• 典型应用： 驱动LED、继电器、蜂鸣器、电平控制等绝大多数需要数字输出的场景。

2.通用开漏输出

• General-purpose output open-drain
• 只能主动拉低（N-MOS管工作），不能主动拉高（P-MOS管被禁用）。高电平状态需要依赖外部上拉电阻连接到正电源。
• 优点1：电平转换。外部上拉电阻可以接到一个不同于MCU VDD的电压上（如5V），实现与不同电压器件的通信。
• 优点2：“线与”功能。多个开漏输出的引脚可以直接连在一起，只要有一个拉低，总线即为低；所有都释放，总线才被上拉为高。这是I²C总线的基础。
• 缺点：驱动高电平时，电流由外部上拉电阻提供，因此上升沿速度较慢（RC充电）。
• 典型应用： I²C、SMBUS总线，驱动高于MCU电压的器件，需要“线与”逻辑的场景。

3.复用功能推挽输出

• Alternate function output push-pull
• 引脚的控制权交给片上外设（如SPI、USART、TIM等），而非CPU或GPIO寄存器。输出特性与通用推挽完全相同。
• 例如，配置UART_TX引脚为此模式，数据将由USART外设自动产生并输出。
• 典型应用： 所有需要由硬件外设驱动的输出功能：SPI_SCK/MOSI、UART_TX、I2S_WS/CK、TIM_PWM输出等。

4.复用功能开漏输出

• Alternate function output open-drain
• 引脚的控制权交给片上外设，输出特性与通用开漏完全相同。
• 典型应用： 需要开漏特性的硬件外设输出，最经典的就是 I²C 的 SDA 和 SCL 线。I²C外设会自动管理开漏输出和输入检测。

输出速度配置

在配置输出模式（推挽/开漏，通用/复用）时，MODEx位还用于选择输出速度，这对于信号完整性和EMI至关重要。

• 2 MHz（低速）： 用于低速信号，功耗和噪声低。
• 10 MHz（中速）： 常用平衡选择。
• 50 MHz（高速）： 用于高速信号（如SPI、USB），但需注意过冲和振铃。
• （新一代STM32有更高速度选项，如Very High）

GPIO 相关寄存器

STM32 的 GPIO 分成了多组端口，端口所含引脚的工作模式通过多个寄存器（端口寄存器组）来进行配置，寄存器中的对应位控制该端口中对应的引脚。

比如 STM32F411 分成了5组端口：GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD 和 GPIOH。每组端口由10个32位的寄存器来控制。

注意:

• 寄存器常量中的 x 代表具体的端口号, 如 GPIOA、GPIOB 等。
• 寄存器中低位对应低序号引脚, 如 GPIOA_MODER 中 0~1 位对应 PA0, 30~31 位对应 PA15。

GPIOx_MODER（模式寄存器）

控制引脚的工作模式，每个引脚占2位：

• 00：输入模式（复位值）
• 01：通用输出模式
• 10：复用功能模式
• 11：模拟模式（用于ADC/DAC）

GPIOx_OTYPER（输出类型寄存器）

控制输出类型（每个引脚占1位）：

• 0：推挽输出（复位值）
• 1：开漏输出

GPIOx_OSPEEDR（输出速度寄存器）

控制输出驱动速度（每个引脚占2位）：

• 00：低速（复位值）
• 01：中速
• 10：高速
• 11：超高速（具体频率见芯片手册）

GPIOx_PUPDR（上拉/下拉寄存器）

(Pull-up Pull-down Register) 控制内部上下拉（每个引脚占2位）：

• 00：无上下拉（复位值）
• 01：上拉
• 10：下拉
• 11：保留

GPIOx_IDR（输入数据寄存器）

读取引脚输入状态（每个引脚占1位, 高16位保留, 只读）：

• 0：低电平
• 1：高电平

GPIOx_ODR（输出数据寄存器）

控制引脚输出电平（每个引脚占1位, 高16位保留）：

• 0：输出低电平
• 1：输出高电平

GPIOx_BSRR（置位/复位寄存器）

(Bit Set Reset Register) 原子操作设置/清除输出位：

• BSy（00-15位）：设置对应引脚为高电平（写1有效，写0无影响）
• BRy（16-31位）：设置对应引脚为低电平（写1有效，写0无影响）

注意:

GPIOx_ODR 与 GPIOx_BSRR 的区别在于, 设置某引脚的输出电平, 前者需要 读->改->写 后者可以直接写。

GPIOx_LCKR（配置锁寄存器）

锁定引脚配置，防止意外修改。

GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH（复用功能寄存器）

(Alternate Function Register Low/High) 选择引脚的复用功能（每个引脚占4位），AFRL用于引脚0-7，AFRH用于引脚8-15。

通过寄存器的编程

通过查阅芯片的参考手册可知, GPIO 各端口寄存器的在内存地址空间中的具体地址, 因此我们可以直接通过指针访问这些寄存器。

#define GPIOA_MODER *(volatile unsigned int *)(0x40020000UL)

GPIOA_MODER = 0x00000003;       // 向 GPIOA_MODER 寄存器中写入 0x03 
unsigned int a = GPIOA_MODER;   // 读取GPIOA_MODER寄存器的内容，并存入变量a

另外我们还可以通过预定义的 C 结构体指针访问寄存器, 这种方式要比直接使用地址友好得多。

// stm32f411xe.h
typedef struct
{
  __IO uint32_t MODER;   
  __IO uint32_t OTYPER;  
  __IO uint32_t OSPEEDR; 
  __IO uint32_t PUPDR;   
  __IO uint32_t IDR;     
  __IO uint32_t ODR;     
  __IO uint32_t BSRR;    
  __IO uint32_t LCKR;    
  __IO uint32_t AFRL;    
  __IO uint32_t AFRH;    
} GPIO_TypeDef;

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)0x40020000UL)

GPIOA->MODER &= ~(3<<(5*2));      // 清除模式寄存器的 bit11:bit10 为 00 
                                  // - 操作的是第5个引脚 (5)
                                  // - 每个引脚占2个bit (*2)
                                  // - 清除2个bit (3 即 0b11)
GPIOA->MODER |=   1<<(5*2);       // 设置 bit11:bit10 = 01, 引脚PA5为推挽输出
GPIOA->BSRR   =   1<<5;           // 设置 bit5 为 1，PA5 输出高电平，开启LD2
GPIOA->BSRR   =   1<(5+16);       // 设置 bit21 为1，PA5 输出低电平，关闭LD2

通过 HAL 库的方式编程

// stm32f4xx_hal_gpio.h
typedef struct
{
  uint32_t Pin;         // 选择需要配置的引脚
  uint32_t Mode;        // 设置所选引脚的工作模式
  uint32_t Pull;        // 使能所选引脚的上拉/下拉电阻
  uint32_t Speed;       // 设置所选引脚的输出速度
  uint32_t Alternate;   // 设置引脚的复用功能
} GPIO_InitTypeDef;

typedef enum
{
  GPIO_PIN_RESET = 0u,  // 引脚低电平
  GPIO_PIN_SET          // 引脚高电平
} GPIO_PinState;

#define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
                                                       /* ..............    */
#define GPIO_PIN_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected   */
#define GPIO_PIN_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

#define GPIO_PIN_MASK              0x0000FFFFu /* PIN mask for assert test */

// 配置引脚 PA5和 PA15:推挽输出，无上拉/下拉，输出速度为低速
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin   = GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_15;
GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// PA15 引脚设置为低电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_RESET);

参考

• STM32 GPIO 引脚模式