一、关于GPIO

  GPIO（General-Purpose IO ports，通用输入/输出接口），用于感知外界信号（输入模式）和控制外部设备（输出模式）。
  如今的MCU大都采用引脚复用技术，即一个GPIO，即可以直接控制其输出高低电平，也可以设置为某个协议的引脚之一，比如I2C的时钟信号引脚SCK。 此外，有些MCU的引脚，还能设置为ADC模式读取模拟信号，或者设置为DAC模式输出模拟信号，本章主要针对引脚的GPIO模式讲解。

1.1 STM32 的 GPIO

  下图 8.1.1 为STM32F103系列GPIO的基本结构，左侧连接MCU内部，中间上半部分为输入，中间下半部分为输出，右侧为MCU引出的外设I/O引脚。

1.2 GPIO 工作模式

  STM32F103系列的I/O引脚共有8种工作模式，其中输出模式有四种：推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出；输入模式有四种：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入。

1.2.1 推挽输出（Push-Pull，PP）

  推挽结构由两个MOS管按互补对称的方式连接，任意时刻总是其中一个MOS管导通，另一个MOS管截止。如图 8.1.1 中①所示，内部由一个P-MOS管和一个N-MOS管组成，两个MOS管的栅极（Gate，G）接到了左侧“输出控制”，漏极（Drain，D）接到外部输出，P-MOS管的源极（Source，S）接到VDD（3.3V）， N-MOS管的源极接到Vss（0V)。
  MOS管作为开关使用，“输出控制”向两个MOS管栅极加一定电压，P-MOS管源极和漏极之间导通，VDD 经过P-MOS管的S->G->D输出，N-MOS管处于高阻态（电阻很大，近似开路），整体对外为高电平；“输出控制”取消向两个MOS管栅极施加电压，P-MOS管源极和栅极截止，P-MOS管处于高阻态，N-MOS管源极和漏极导通，整体对外为低电平。
  推挽模式，让“输出控制”变为了VDD/Vss输出，使得输出电流增大，提高了输出引脚的驱动能力，提高了电路的负载能力和开关的动作速度。

1.2.2 开漏输出（Open-Drain，OD）

  开漏模式下，“输出控制”不会控制P-MOS管，“输出控制”只会向N-MOS管栅极加一定电压，两个MOS管都处于截止状态，两个漏极处于悬空状态，称之为漏极开路。“输出控制”取消栅极的施加电压，P-MOS管依旧处于高阻态，N-MOS管导通，整体对外为低电平。
  开漏输出模式可以等效将图 8.1.2 中灰色框的P-MOS管看作不存在。即该模式下只能输出低电平，若要输出高电平，则需要外接电阻，所接的电阻称为上拉电阻，此时输出电平取决于此时上拉电阻的外部电源电压情况，如图 8.1.2 中蓝色框的外部电路。

  推挽输出模式可以直接输出高电平，开漏输出模式需要外接上拉电阻才能输出高电平，但开漏输出拥有一些推挽输出不具有的特性：
  ①利用外部电路驱动能力。如图 8.1.2 所示，“输出控制”只需要提供一个很小的栅极驱动电流，VCC经过上拉电阻为外部负载提高驱动电流；
  ②实现电平转换。推挽输出模式由VDD提供，即只能提供3.3V电平。使用开漏输出模式后，VCC可以为5V，从而实现了电平转换的效果。
  ③方便实现“逻辑与”功能。多个开漏的引脚可以直接并在一起使用，统一接一个合适的上拉电阻，就可以实现“逻辑与”关系，即当所有引脚均输出高电平时，输出才为高电平，若任一引脚输出低电平，则输出低电平。在I2C、SMBUS等总线电路中经常会用到。

1.2.3 复用功能推挽/开漏输出（Alternate Function，AF）

  GPIO引脚除了作为通用输入/输出引脚使用外，还可以作为片上外设（USART、I2C、SPI等）专用引脚，即 一个引脚可以有多种用途但同一时刻一个引脚只能使用复用功能中的一个。
  当引脚设置为复用功能时，可选择复用推挽输出模式或复用开漏输出模式，在设置为复用开漏输出模式时，需要外接上拉电阻。

1.2.4 上拉输入模式（Input Pull-up）

  如图 8.1.1 中②所示，VDD经过开关、上拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号时，默认输入高电平。
  该模式的典型应用就是外接按键，当没有按键按下时候，MCU的引脚为确定的高电平，当按键按下时候，引脚电平被拉为低电平。

1.2.5 下拉输入模式（Input Pull-down）

  如图 8.1.1 中②所示，Vss经过开关、下拉电阻，连接外部I/O引脚。当开关闭合，外部I/O无输入信号时，默认输入低电平。

1.2.6 浮空输入模式（Floating Input）

  如图 8.1.1 中②所示，两个上/下拉电阻开关均断开，既无上拉也无下拉，I/O引脚直接连接TTL肖特基触发器，此时I/O引脚浮空，读取的电平是不确定的，外部信号是什么电平，MCU引脚就输入什么电平。MCU复位上电后，默认为浮空输入模式。

1.2.7 模拟输入模式（Analog mode）

  如图 8.1.1 中②所示，两个上/下拉电阻开关均断开，同时TTL肖特基触发器开关也断开，引脚信号直接连接模拟输入，实现对外部信号的采集。

1.3 GPIO 输出速度

  STM32的I/O引脚工作在输出模式下时，需要配置I/O引脚的输出速度。该输出速度不是输出信号的速度，而是I/O口驱动电路的响应速度。
  STM32提供三个输出速度：2MHz、10MHz、50MHz。实际开发中需要结合实际情况选择合适的相应速度，以兼顾信号的稳定性和低功耗。通常，当设置为高速时，功耗高、噪声大、电磁干扰强；当设备为低速时，功耗低、噪声小、电磁干扰弱。
  通常简单外设，比如LED灯、蜂鸣器灯，建议使用2MHz的输出速度，而复用为I2C、SPI等通信信号引脚时，建议使用10MHz或50MHz以提高响应速度。

二、硬件设计

  如图 8.2.2 所示为开发板三色LED灯部分的原理图，LED灯的正极直接连接了VDD_3V3，LED灯的负极分别连接了三个GPIO引脚，红色LED连接的PB0，绿色LED连接的PB1，蓝色LED连接的PB5，只需要控制PB0、PB1、PB5为相应低电平，即可点亮对应LED灯，输出为高电平时熄灭对应LED灯。

三、软件设计

  完整工程中将LED部分的驱动代码新建独立，源代码文件与头文件分别是“driver_led.c”，“driver_led.h”，保存在工程文件夹“Driver”中。

3.1 软件设计思路

实验目的：点亮LED灯。

1. 选择LED对应的GPIO；
2. 使能所选择GPIO的时钟；
3. 配置其为上拉输出模式；
4. 控制其输出高或低来控制LED的亮与灭；
   本实验配套代码位于“5_程序源码\2_GPIO—LED点灯”。

四、代码工程和文档

工程链接：GPIO-LED点灯