什么是GPIO？GPIO組成原理

1. 什么是GPIO？

GPIO全拼叫General Purpose Input Output（通用輸入輸出）簡稱IO口也叫總線擴展器，GPIO口是由引腳，功能寄存器組成，不同的架構中的GPIO封裝不同，所使用的引腳數與寄存器數不同，具體可以參考芯片手冊里的GPIO篇。

GPIO的作用是用來控制連接在此GPIO口上的外設，我們一般通過觀察原理圖找到當前板子的GPIO口引出在哪個口上或者排針上，我們把我們的外設接到上面去就可以通過GPIO與這個外設進行交互控制，在驅動層我們通過讀寫GPIO口中的功能寄存器來改變連接在此GPIO上的外設狀態。

2. GPIO組成原理

GPIO原理圖如下：

取自STM32F7系列，不同架構的GPIO口封裝不同，這里僅用于當前示例

從上面原理圖可以看出STM32F7系列GPIO是由三個寄存器以及“TTL肖特基觸發器、二極管、P-MOS管和N-MOS管”組成

3. GPIO工作原理

電子器件的作用：

器件名

作用

輸出數據寄存器此寄存器的值會通過輸出驅動器輸出，其中指定位用于決定使用P-MOS還是N-MOS，有些位表示輸出高低電平，如寄存器是4位的，其中0-2位代表輸出模式，第3位表示輸出電平信號，數字信號1則高電平，數字信號0則低電平P-MOSVgs(電荷)小于一定的值就會導通，利用這個特性和實現推挽與開漏輸出N-MOSVgs(電荷)大于一定的值就會導通，利用這個特性和實現推挽與開漏輸出保護二極管IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入。當引腳電壓高于VDD時，上方的二極管導通；當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀，即只有電流不高于VDD也不低于VSS時才能正常通過TTL肖特基觸發器用于將電流信號轉化為模擬數字信號0或1，當使用模擬輸入時不會通過觸發器，模擬輸入是指不通過內部轉換器，需要外部外接adc進行ad采樣轉換

每個GPIO口都有一組引腳連接，并且這組引腳，如PA-PG(引腳編號)連接到GPIOA中，其中有一個引腳的作用是輸出，說的直接一點GPIO口是一個可編程的引腳，我們通過對GPIO口里的寄存器進行配置，讓CPU對特定的引腳輸出高電平。

上面涉及到一個知識點，推挽與開漏輸出，這兩個模式是使用P-MOS與N-MOS兩個晶體管實現的

P-MOS與N-MOS的區別

P-MOS是接了VDD（正極電源），所以它擁有輸出高電流的能力，所以給P-MOS高電平就可以導通P-MOS管，因為接了電源線的原因一旦導通了就可以讓電源線里的工作電壓流通，而N-MOS上面接了VSS，若給高電平是無法導通的，因為它沒有接電源線是無法輸出高電平的，如果給了N-MOS高電平即便流通了因為沒有VDD電源線它也無法正常輸出電流，若給了低電平則會流向VSS接地處，所以N-MOS只能給低電平才有效，若想N-MOS驅動可以外接上拉電阻。

所以這里輸出低電流的話輸出到N-MOS晶體管的引腳上，那么始終輸出的是接地部分，可以有效降低材料的消耗率。

這里說一下高電平與低電平在電路里的區分：

這里以TTL電路為列，高電平>3.4V，低電平<0.2V，所以即便N-MOS沒有輸出任何電流，它也是低電平。

使用這兩個器件能夠在輸出高低電平時保證材料的消耗率降低，如果使用一個線路輸出高低電平的話會損耗會提升，N-MOS會一直接地，所以輸出端其實一點電流都沒有，這會極大降低消耗率。

MOS是場效應管，它有兩種類型，P溝道與M溝道，至于哪種類型取決于MOS源接在VDD還是VSS，接在VDD就是P溝道，接在VSS就是M溝道

推挽輸出

連接在輸出控制電路里的數字器件，可以輸出高電平與低電平，輸出數字信號0時N-MOS導通，P-MOS高阻，輸出數字信號1時P-MOS導通，N-MOS高阻抗

開漏輸出

只能輸出低電平，輸出數字0時N-MOS導通，P-MOS高阻，無法輸出高電平，若需要輸出高電平需要在N-MOS晶體管后的引腳上接一個上拉電阻，將所有不確定的信號變成高電平，它只能從N-MOS這條線路上流過，所以就導致了它不能輸出高電平

輸出電路會獲取輸出數據寄存器里當前的模式位是什么，如推挽或開漏，若推挽則用電路比較器進行電流比較來確定輸出到P-MOS還是N-MOS，若是開漏模式則根據N-MOS導通特性以及當前數字信號的值0/1，來輸出對應的電流導通，同時電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。

開漏負載能力較強，因為有上拉電阻，所以一般長時間的設備會用開漏輸出

審核編輯：黃飛