第一章 GPIO

1.1 GPIO模式理论介绍¶

模式名称	性质	特征
浮空输入	数字输入	可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定
上拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平
下拉输入	数字输入	可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平
模拟输入	模拟输入	GPIO无效，引脚直接接入内部ADC
开漏输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接GND
推挽输出	数字输出	可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接GND
复用开漏输出	数字输出	由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接GND
复用推挽输出	数字输出	由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接GND

1.2 GPIO模式对比与使用¶

模式名称	标准库	HAL库（注1）	使用场景
浮空输入	GPIO_Mode_IN_FLOATING	GPIO_MODE_AF_INPUT	调试或处理外部驱动信号（不常用）
上拉输入	GPIO_Mode_IPU	GPIO_MODE_INPUT	按键检测，默认保持高电平
下拉输入	GPIO_Mode_IPD	GPIO_MODE_INPUT	按键检测或I2C输入引脚，默认低电平
模拟输入	GPIO_Mode_AIN	GPIO_MODE_ANALOG	传感器模拟信号接入（如ADC）
开漏输出	GPIO_Mode_Out_OD	GPIO_MODE_OUTPUT_OD	I²C总线，设备主动拉低电平（注2）
推挽输出	GPIO_Mode_Out_PP	GPIO_MODE_OUTPUT_PP	LED、蜂鸣器等，0、1 信号驱动的外设
复用开漏输出	GPIO_Mode_AF_OD	GPIO_MODE_AF_OD	I2C通信，允许多个设备连接到总线（注3）
复用推挽输出	GPIO_Mode_AF_PP	GPIO_Mode_AF_PP	SPI、UART等外设，提供稳定的电平切换（注3）

注1：

关于HAL和标准库的名称和配置区别：

C

GPIO_Mode_IN_FLOATING--|
GPIO_Mode_IPU          |-----> GPIO_MODE_INPUT == GPIO_MODE_AF_INPUT
GPIO_Mode_IPD        --|

实质上GPIO_MODE_AF_INPUT和GPIO_MODE_INPUT用的是同一个地址，仅仅宏定义的名称不同；而本质上它们的使用和原理也是一样的。

在HAL库中将GPIO数字输入模式均归到GPIO_MODE_INPUT一种模式，而上拉和下拉电阻需要单独配置：

C

#define  GPIO_NOPULL        0x00000000u   /*!< 既不上拉电阻，也不下拉电阻  */
#define  GPIO_PULLUP        0x00000001u   /*!< 上拉电阻  */
#define  GPIO_PULLDOWN      0x00000002u   /*!< 下拉电阻  */
// 配置方法
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};  // 将结构体的所有成员变量初始化为 0
__HAL_RCC_GPIOX_CLK_ENABLE();            // 开启GPIOX时钟,APB2总线
// -------------（省略若干配置）
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;      // 既不上拉电阻，也不下拉电阻
HAL_GPIO_Init(GPIOX, &GPIO_InitStruct);  // 初始化

这里配置还不完整，主要展示上拉和下拉电阻需要单独配置。

注2：

关于开漏输出只能驱动低电平，不驱动高电平：

驱动低电平 ：当引脚输出低电平时（0），它会将引脚与地（GND）相连，从而拉低输出信号线的电压。

不驱动高电平 ：当引脚输出高电平时（1），它不会主动提供高电压（如VDD），而是处于高阻抗（Hi-Z）状态。此时，信号线的电平由外部电路（例如一个上拉电阻）决定。

在开漏模式下，引脚的输出端类似于开关，这个开关的另一端接地。如果开关关闭（引脚输出低电平），引脚就接地，输出低电平；如果开关打开（引脚输出高电平），引脚断开（高阻态），信号线上的电平将由外部上拉电阻决定。

I²C总线使用场景 ：I²C协议使用开漏输出的方式，允许多个设备共享同一条数据线，并且通过上拉电阻将数据线拉高。每个设备可以主动拉低电平，但不会主动拉高，避免了设备之间的电平冲突。

显然，开漏输出主要利用低电平处理信号，可以避免高电平发生影响或出现电平冲突。

注3：

关于输出的复用与不复用的区别和使用场景：

复用模式与不复用的区别：
- 复用模式 ：GPIO引脚用于外设（如UART、SPI、I²C）控制，不再作为普通的GPIO引脚使用。通过配置为复用开漏或复用推挽模式，外设的信号控制引脚的电平输出。
- 非复用模式 ：GPIO引脚由用户程序直接控制，可以手动设置引脚为高电平或低电平，用于普通的输入输出操作。
使用场景的区别：
- 推挽 vs 开漏
  - 推挽模式适合驱动单个设备，不需要担心电平冲突。
  - 开漏模式适合多个设备共享数据线或与其他电压系统的设备通信。
- 复用 vs 不复用
  - 复用模式适用于引脚被外设控制的场合（如I²C、SPI、UART等），这些引脚的状态由外设的信号决定。
  - 非复用模式适用于普通的GPIO引脚，用户可以自由控制引脚的电平。