MCU1.1GPIO输入输出

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1 、前言

推挽输出，开漏输出是什么，啥是浮空输入，上拉和下拉输入又该怎么区分，啥时候需要用？鉴于此前也没有写过这方面的博客，今天抽空来进行补充一下。

2 、输出输入 GPIO

GPIO 是指通用输入输出（General Purpose Input/Output），是一种通用的数字输入输出接口，可以通过程序控制来读取或控制外部设备。

在单片机或嵌入式系统中，GPIO 通常由一个或多个引脚组成，可以通过编程来配置引脚的工作模式（输入或输出）、电平状态（高电平或低电平）等参数，即，

数字芯片的 IO 口，一般分为输入和输出
数字芯片内部单元大都是 CMOS，一般 mos 的栅极为输入，漏极为输出

2.1 基本类型

输出：

开漏输出（OP）
推挽输出（PP）
复用开漏
复用推挽

输入：

浮空输入
下拉输入
上拉输入

3 . 输出

3.1 推挽输出

推挽输出是指输出端口通过一个晶体管的开关来控制电平状态，推挽输出可以实现高电平和低电平两种状态

输出高电平时，NPN 型晶体管导通，PNP 型晶体管截止，呈现向外推的形式，为推

输出低电平时，PNP 型晶体管导通，NPN 型晶体管截止，呈现向回挽的形式，为挽

优点：

输出高低电平、电源电压基本没有压差
高低电平驱动能力较强，一般数字芯片推挽，输出 IO 口驱动电流最大可到 20ma
电平切换速度快

缺点：不支持线与（指俩个输出不可以接到一起）

3.2 开漏输出

输出端口通过一个晶体管的开关来控制电平状态，但与推挽输出不同，开漏输出只能实现低电平状态，而不能直接输出高电平。

开漏输出的原理是，在输出端口接入一个 NPN 型晶体管，它的集电极连接到输出端口，发射极接地。当需要输出低电平时，晶体管导通，输出端口接地，形成低电平；当需要输出高电平时，晶体管截止，输出端口处于悬空状态，即高阻态。为了实现完整的输出功能，开漏输出通常需要结合外部上拉电阻。当输出端口处于高阻态时，外部上拉电阻将输出端口拉高至所需的高电平。因此，开漏输出可以通过控制晶体管的导通和截止来实现低电平输出，而高电平输出则由外部上拉电阻提供。开漏输出常用于多路设备共享总线的情况下，如 I2C、SPI 等通信协议中。通过多个开漏输出端口的组合，可以实现多路设备对总线的控制，同时避免输出冲突和电平干扰。

优点：

可实现电平转换，输出电平取决于上拉电阻电源
可以实现 IO 的线与

缺点：

高电平的驱动能力差，取决于外部上拉电阻
电平切换速率取决于外部上拉电阻

3.3 高阻态

GPIO（General-Purpose Input/Output，通用输入输出）高阻态（High-Z 或 High Impedance）是指GPIO引脚处于一种特殊的电气状态，此时引脚既不输出高电平（逻辑1），也不输出低电平（逻辑0）。在这种状态下，引脚的输入阻抗非常高，几乎相当于 开路，因此不会对电路产生任何负载影响。关于开漏输出的高阻态，他通常用在总线上，当主设备与其中一个从设备相连的时候，阻断其他设备与主设备相连，即呈现出高阻态的形式。高阻态是一种重要的GPIO状态，用于避免信号冲突、支持热插拔和节省功耗。

3.3.1 高阻态的应用场景

多主设备共享总线：在多个设备共享同一总线的情况下，当某个设备不使用总线时，将其引脚设置为高阻态，可以避免与其他设备的信号冲突。
热插拔：在热插拔设备时，将引脚设置为高阻态可以防止插拔过程中产生短路或损坏设备。
省电模式：在某些低功耗应用中，将不使用的引脚设置为高阻态可以减少功耗。

3.3.2 实现方法

在大多数微控制器中，可以通过配置GPIO寄存器来设置引脚的高阻态。具体方法因微控制器的不同而有所差异，但通常有以下几种方式：

三态缓冲器：使用三态缓冲器（Tri-state Buffer）来控制引脚的输出使能。当三态缓冲器的使能端为低电平时，引脚进入高阻态。

配置寄存器：通过配置GPIO的控制寄存器来设置引脚的模式。包括输入模式、输出模式和高阻态模式。

以下是在STM32微控制器中设置GPIO引脚为高阻态的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void GPIO_Config(void)
{
    // 使能GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置GPIOA的引脚0为高阻态
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; // 模拟输入模式，相当于高阻态
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

int main(void)
{
    // 初始化GPIO
    GPIO_Config();

    while (1)
    {
        // 主循环
    }
}

在这个示例中，GPIO_Mode_AN 表示模拟输入模式，这种模式下引脚的输入阻抗非常高，相当于高阻态。

4 . 输入

4.1 上拉输入

是指芯片输入引脚通过电阻接到电源电压

4.2 下拉输入

指芯片输入引脚通过电阻借到参考 0 电平

4.3 浮空输入

浮空输入是指将输入引脚未连接到任何外部信号源或电路，使其处于未定义的状态。在这种情况下，输入引脚既不连接到高电平（VDD）也不连接到低电平（GND），而是处于开路状态。

浮空输入可能会导致输入信号漂移或产生不确定的结果。这是因为未连接的输入引脚可以受到周围环境中的电磁干扰，从而引起电压波动，进而影响输入状态。在某些情况下，浮空输入可能会被误认为是高电平或低电平，这取决于具体的电路设计和输入引脚的特性。

5 . 野火的 STM32 GPIO 电路设计

我们主要看一下他这个推挽、开漏输出的设计，N-MOS 晶体管导通，P-MOS 晶体管截止，呈现向外推的形式，为推，P-MOS 管截止，N-MOS 导通，为挽。当为开漏状态时，只需要 N-MOS 管，当需要输出低电平时，晶体管导通，输出端口接地，形成低电平；当需要输出高电平时，晶体管截止，输出端口处于悬空状态，即高阻态。