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一、IO口基本信息

以STM32单片机为例，共有7组IO口，从GPIOA~GPIOG，每组IO口有16个IO，一共有7×16=112个IO。另外还有两个PH0和PH1，共114个IO口。 STM32的大部分引脚除了当GPIO使用外，还可以复用为外设功能引脚（比如串口）。所有IO口都可以作为中断输入。

这些IO口的工作配置分为了8种：
（1）GPIO_Mode_AIN 模拟输入
（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入
（4）GPIO_Mode_IPU 上拉输入
（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）
（6）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）
（7）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（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）

IO口的4种最大输出速度：
2MHZ
25MHz
50MHz
100MHz

二、IO口的寄存器

每组IO口含下面10个寄存器，这10个寄存器控制一组GPIO的16个IO口，分别是：

4个32位配置寄存器：
一个端口模式寄存器（GPIOx_MODER）
一个端口输出类型寄存器(GPIOx_OTYPER)
一个端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR)
一个端口上拉下拉寄存器（GPIOx_PUPDR)

2个32位数据寄存器：
一个端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）
一个端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR)

一个端口置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR)
一个端口配置锁存寄存器（GPIOx_LCKR)
两个复用功能寄存器（低位GPIOx_AFRL & GPIOx_AFRH)

如果配置一个IO口需要2个位，那么刚好32位寄存器配置一组IO口16个IO口。如果配置一个IO口只需要1个位，一般高16位保留。32位的芯片与8位的芯片相比，其IO端口的控制方式更加多样，功能更加多样。

端口模式寄存器（GPIOx_MODER）配置：

端口输出类型寄存器(GPIOx_OTYPER)配置：

端口输出速度寄存器(GPIOx_OSPEEDR)配置：

端口上拉/下拉寄存器(GPIOx_PUPDR)配置：

端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)配置：

端口置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)配置：

BSRR寄存器32位分为低16位BSRRL和高16位BSRRH，BSRRL配置一组IO口的16个IO口的置位状态（1），BSRRH配置复位状态（0）。

复用功能寄存器（低位GPIOx_AFRL & GPIOx_AFRH)配置：

三、IO口对应不同配置的基本结构

Cortex-M3的IO口的基本结构：

Cortex-M4的IO口的基本结构：

浮空输入：

上拉输入：

下拉输入：

模拟输入：

开漏输出：

开漏复用输出：

推挽输出：

推挽复用输出：

所有GPIO引脚都具有内部弱上拉及下拉电阻，可根据GPIOx_PUPDR寄存器中的值来打开/关闭。

四、IO口的不同配置简介

在复位期间及复位刚刚完成后，复用功能尚未激活，IO口默认为浮空状态，部分特殊功能引脚为特定状态。

4.1推挽输出

可以输出强高低电平，连接数字器件。
推挽输出是由IC内部电源驱动的
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。高低电平由 IC 的电源决定。推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

详细理解：

如图所示，推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经 VT3 拉出。这样一来，输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

4.2、开漏输出

只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 适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)。
开漏输出高电平是由外部电源驱动的

开漏形式的电路有以下几个特点：
1、利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。当 IC 内部 MOSFET 导通时，驱动电流是从外部的VCC 流经 R pull-up ，MOSFET 到 GND。IC 内部仅需很小的栅极驱动电流。

2、一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变
上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供 TTL/CMOS 电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾
功耗和速度。）

3、 OPEN-DRAIN 提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如
果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

4、可以将多个开漏输出的 Pin连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是 I2C，SMBus 等总线判断总线占用状态的原理。
补充：什么是“线与”：在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑。其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑 0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为 0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。

关于推挽输出和开漏输出，最后用一幅最简单的图形来概括：

该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器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+；当比较器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。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

4.3、浮空输入

浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，我理解为浮空输入状态下，IO 的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

4.4、在 STM32 中选用 IO 模式

1、浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做 KEY 识别，RX1
2、带上拉输入_IPU——IO 内部上拉电阻输入
3、带下拉输入_IPD—— IO 内部下拉电阻输入
4、模拟输入_AIN ——应用 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电
5、开漏输出_OUT_OD ——IO 输出 0 接 GND，IO 输出 1悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为 1 时，IO 口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样 IO 口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读 IO 输入电平变化，实现 IO 功能。
6、推挽输出_OUT_PP ——IO 输出 0接 GND，IO 输出 1 -接 VCC，输入值是未知的。
7、复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（比如I2C的SCL,SDA）
8、复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

4.5、使用引脚功能时的配置

1、作为普通 GPIO 输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
2、作为普通 GPIO 输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
3、作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
4、作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
5、作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

注：
1、如果有多个复用功能模块对应同一个引脚，只能使能其中之一，其它模块保持非使能状态。
2、stm32 复位后,IO 端口处于输入浮空状态.
3、JTAG 引脚复位以后,处于上拉或者下拉状态.
4、所有 IO 端口都具有外部中断能力,端口必须配置成输入模式,才能使用外部中断功能。
5、IO 端口复用功能配置:
对于复用功能输入,端口可以配置成任意输入模式或者复用功能输出模式。
对于复用功能输出,端口必须配置成复用功能输出。
对于双向复用功能,端口必须配置成复用功能输出。
stm32 的部分 IO 端口的复用功能可以重新映射成另外的复用功能。
stm32 具有 GPIO 锁定机制,即锁定 GPIO 配置,下次复位前不能再修改。
当 LSE 振荡器关闭时,OSC32_IN 和 OSC32_OUT 可以用作通用 IO PC14 和 PC15。
当进入待机模式或者备份域由 Vbat 供电,PC14,PC15 功能丢失,该两个 IO 口线设置为模拟输入功能。
OSC_IN 和 OSC_OUT 可以重新映射为 GPIO PD0,PD1。
注意 PD0,PD1 用于输出地时候仅能用于 50MHz 输出模式。
注意:PC13,PC14,PC15 只能用于 2MHz 的输出模式,最多只能带 30pf 的负载,并且同时只能使用一个引脚。

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