HK32F103x/C/D/E是航顺芯片推出的中大容量的103系列芯片,而作为32位MCU最常用功能就是GPIO。HK32F103x的每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。

每个I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

输入浮空

输入上拉

输入下拉

模拟输入

开漏输出

推挽式输出

推挽式复用功能

开漏复用功能

每个I/O端口位可以自由编程，然而必须按照32位字访问I/O端口寄存器(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR 和 GPIOx_BRR 寄存器允许对任何GPIO寄存器进行读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。每个GPIO管脚都可以由软件配置成输出(推拉或开路)、输入(带或不带上拉或下拉)或其它的外设功能端口。多数 GPIO 管脚都与数字或模拟的外设共用。所有的 GPIO 管脚都有大电流通过能力。在需要的情况下，I/O 管脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定，以避免意外的写入 I/O 寄存器。

下图就是I/O 端口位的基本结构：

5伏兼容 I/O 端口位的基本结构

注意：VDD_FT 对5伏容忍I/O脚是特殊的，它与VDD不同

端口位配置表

输出模式位

单独的位设置或位清除

当对GPIOx_ODR的个别位编程时，软件不需要禁止中断：在单次APB2写操作里，可以只更改一个或多个位。这是通过对“置位/复位寄存器”(GPIOx_BSRR，复位是 GPIOx_BRR)中想要更改的位写’1’来实现的。没被选择的位将不被更改。

复用功能(AF)

使用默认复用功能前必须对端口位配置寄存器编程。

● 对于复用的输入功能，端口必须配置成输入模式(浮空、上拉或下拉)且输入引脚必须由外部驱动

注意：也可以通过软件来模拟复用功能输入引脚，这种模拟可以通过对 GPIO 控制器编程来实现。此时，端口应当被设置为复用功能输出模式。显然，这时相应的引脚不再由外部驱动，而是通过 GPIO 控制器由软件来驱动。

● 对于复用输出功能，端口必须配置成复用功能输出模式(推挽或开漏)。

● 对于双向复用功能，端口位必须配置复用功能输出模式(推挽或开漏)。这时，输入驱动器被配置成浮空输入模式。

如果把端口配置成复用输出功能，则引脚和输出寄存器断开，并和片上外设的输出信号连接。如果软件把一个GPIO脚配置成复用输出功能，但是外设没有被激活，它的输出将不确定。

输入配置

当 I/O 端口配置为输入时：

● 输出缓冲器被禁止

● 施密特触发输入被激活

● 根据输入配置(上拉，下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接

● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器

● 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

输出配置

当 I/O 端口被配置为输出时：

● 输出缓冲器被激活

─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活 N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(P-MOS 从不被激活)。

─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活 N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活 P-MOS。

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器

● 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

● 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

复用功能配置

当 I/O 端口被配置为复用功能时：

● 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开

● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器

● 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态

● 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

模拟输入配置

当 I/O 端口被配置为模拟输入配置时：

● 输出缓冲器被禁止

● 禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。施密特触发输出值被强置为’0’

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 读取输入数据寄存器时数值为’0’

下面就HK32F103xC/D/E在操作上需要应用开发者注意的。

用户在使用HK32F103xC/D/E时，使用软件循环产生定时，用GPIO翻转模拟时序，发现跟友商不一致。这是我们设计跟友商不一样。

解决方法如下：

不开 Cache，HK32F103xCxDxE 效率低一点。

打开 Cache，HK32F103xCxDxE 效率明显提高。

以上有关寄存器的介绍可以参考我们HK的HK32F103xC/D/E的应用手册。

GPIO是通用输入/输出端口的简称，是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

STM32F103ZET6芯片为144脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口（GPIO）组，分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同时每组GPIO口组有16个GPIO口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。

STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外，还可以复用为外设功能引脚，比如串口。

GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。

保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。

TTL肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。

这里需要注意的是，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的。如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。
STM32的GPIO工作方式

GPIO支持的输入输出模式：

• GPIO_Mode_AIN 模拟输入

• GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

• GPIO_Mode_IPD 下拉输入

• GPIO_Mode_IPU 上拉输入

• GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

• GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

• GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

• GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字被访问。

下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式：

浮空输入模式

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O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（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入模式

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。

下拉输入模式

下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。

模拟输入模式

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。

开漏输出模式

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。

开漏复用输出模式

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

推挽输出模式

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

推挽复用输出模式

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

总结与分析

什么是推挽结构和推挽电路？

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。

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。
开漏输出和推挽输出的区别？

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。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)。

推挽输出:可以输出强高、低电平，连接数字器件。

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。

在STM32中选用怎样选择I/O模式？

• 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1

• 带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入

• 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入

• 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电

• 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C51的IO双向功能

• 推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的
  

• 复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL、SDA）

• 复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1、MOSI、MISO.SCK.SS）

一个产品的功耗不光是硬件功耗的事，其实软件也是影响整个产品功耗的一个关键因素。进行STM32低功耗产品开发时，可以通过下文GPIO配置方式来减低功耗。

把闲置GPIO输入配置为模拟输入

GPIO始终有一个输入通道，可以是数字或模拟通道。

如果不需要读取GPIO数据，则优先配置为模拟输入。这节省了输入施密特触发器的消耗。

在STM32CubeMX配置中都有这么一个选项：将不用引脚配置为模拟状态。

调节GPIO速度

上升时间，下降时间和最大频率可使用GPIOx_OSPEEDR配置寄存器进行配置。

这种调整对EMI（电磁干扰）和SSO（同时开关输出）有影响，因为开关电流峰值较高。因此必须平衡GPIO性能与噪声。

每个GPIO信号的上升时间和下降时间必须适应与相关信号频率和电路板容性负载兼容的最小值。

不使用时禁用GPIO寄存器时钟

如果某个GPIO组不需要长时间使用，禁用其时钟。

比如：

标准外设库，禁用GPIOA时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, DISABLE);
br

HAL库，禁止GPIOA时钟：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();

br

进入低功耗模式时配置GPIO

进入低功耗模式时，所有引脚信号必须连接到VDD或接地。

如果GPIO连接到外部接收器（外部元件输入），则必须使用PP或PU/PD强制GPIO信号值。

当GPIO连接到驱动器（外部元件输出或总线）时，驱动器必须提供有效电平（ VDD或接地）。如果未定义驱动器电平，则必须使用PU/PD强制GPIO上的信号。

出于实际原因，当GPIO是运行模式下的输入（模拟或数字）时，在低功耗模式下使用输入PU/PD可能更容易；当GPIO是运行模式下的输出时，则使用输出PP。这可以避免在进入或退出停止模式时管理更改。

退出关机模式

退出关机（shut down）模式时， GPIO会在上电复位时重新配置为默认值。

在将它们重新编程为正确值之前，这会需要额外的系统消耗。

如果这是应用程序的问题，则必须使用待机（standby）模式替代关机模式。