电子技术（八）——GPIO

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一、GPIO概述


GPIO（General Purpose I/O Ports）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态-是高电平或是低电平。 GPIO口一是个比较重要的概念，用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鸣器等),读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。



图1.端口引脚的一般结构

每条端口线都有许多控制和数据位，可以非常灵活地使用该线。 每个端口引脚都可以配置为输入或输出操作。 在输入模式下（复位后默认），输出驱动器关闭（高阻抗）。 端口引脚上的实际电压电平通过施密特触发器转换为逻辑 0 或 1，并可通过只读寄存器 Pn_IN 读取。 输入信号直接连接到外围单元的各种输入 (AltDataIn)。 从引脚到输入寄存器 Pn_IN 和AltDataIn 的输入线的功能与端口引脚是作为输入还是作为输出运行无关。 这意味着当端口处于输出模式时，引脚的电平可以由软件通过 Pn_IN 读取，或者外设可以使用引脚电平作为输入。

通用输入输出端口GPIO具有两大功能，一种是作为一个可控的端口引脚，另外一种是通过端口映射功能连接到芯片外设。最为常用的功能是，可以作为一个可控的端口引脚，配置该引脚为输入或者输出。输出功能包括强推挽输出和开漏输出两项，当配置为强推挽输出时，用户可以对该引脚任何时刻的电平状态进行定义，高电平或者低电平，当配置为开漏输出时，此时需要外接上拉电阻才能输出高电平信号。输入功能可以对任意时刻引脚电平状态进行查看，其中输入功能包括输入上拉、输入下拉、高阻态三种，输入上拉和输入下拉分别设定输入引脚处于高电平和低电平状态，而设置成高阻态模式时，输入引脚电平不稳定。

二、GPIO输入、输出模式及说明


【来源：星空闪耀&】



图2.I/O端口位的基本结构

2.1浮空输入模式



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外部的电平信号通过左边编号1的I/O端口进入MCU，经过编号2的施密特触发器的整形送入编号3的“输入数据寄存器”，在“输入数据寄存器”的另一端(编号4)，CPU可以随时读出I/O端口的电平状态。

2.2输入上拉模式



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输入上拉模式；与前面的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上部，接入了一个上拉电阻，同样，CPU可以随时在“输入数据寄存器”的另一端，读出I/O端口的电平状态。

2.3输入下拉模式



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输入下拉模式；数据通道的下部，接入了一个下拉电阻。

2.4模拟输入模式



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模拟输入模式；信号从左边编号1的端口进入，从右边编号2的一端直接进入ADC模块。这里我们看到所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器，均处于断开状态，因此“输入数据寄存器”将不能反映端口上的电平状态，也就是说，模拟输入配置下，CPU不能在“输入数据寄存器”上读到有效的数据。

2.5开漏输出模式【来源：硬件十万个为什么】



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开漏输出模式；当CPU在左边的编号1端通过位设置/清除寄存器，或输出数据寄存器写入数据后，该数据位将通过编号2的输出控制电路传送到编号4的I/O端口，如果CPU写入的是逻辑“1”，则编号3的N-MOS管将处于关闭状态，此时I/O端口的电平将由外部的上拉电阻决定，如果CPU写入的是逻辑“0”，则编号3的N-MOS管将处于开启状态，此时I/O端口的电平被编号3的N-MOS管拉到了VSS的零电位。

在图的上半部，施密特触发器处于开启状态，这意味着CPU可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时监控I/O端口的状态；通过这个特性，还实现了虚拟的I/O端口双向通信：只要CPU输出逻辑“1”，由于编号3的N-MOS管处于关闭状态，I/O端口的电平将完全由外部电路决定，因此，CPU可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑“1”。【来源：星空闪耀&】

2.6开漏复用输出模式



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开漏复用输出模式；与开漏输出模式的配置基本相同，不同的是编号2的输出控制电路的输入，与复用功能的输出端相连，此时输出数据寄存器被从输出通道断开了。同样，CPU可以从“输入数据寄存器”读到外部电路的信号。

2.7推挽输出模式



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推免输出模式；在开漏输出模式的基础上，推挽输出模式仅仅是在编号2的输出控制电路之后，增加了一个P-MOS管。当输出逻辑“1”时，编号3处的P-MOS管导通，而下方的N-MOS管截止，达到输出高电平的目的。当输出逻辑“0”时，编号3处的P-MOS管截止，而下方的N-MOS管导通，达到输出低电平的目的。在这个模式下，CPU仍然可以从“输入数据寄存器”读到外部电路的信号。

2.8推挽复用输出模式



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推挽复用输出模式，同样的道理，编号2的输出控制电路的输入，与复用功能的输出端相连，此时输出数据寄存器被从输出通道断开了。

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关于GPIO的概述描述得相当专业且准确。GPIO（General Purpose I/O Ports）确实是通用输入/输出端口，它为硬件与外部设备之间的数据交互提供了桥梁。这些端口引脚如同连接点，能够进行高低电平的读入和输出，是硬件控制的要点之一。每个端口引脚都能配置为输入或输出模式，为用户提供了极大的灵活性。在输入模式下，它们可以读取外部信号如中断信号；在输出模式下，可以控制硬件的工作状态，如点亮LED灯或驱动蜂鸣器发声。这些端口广泛应用于各种场景，为硬件与软件的交互提供了重要的支撑。后续还可以对GPIO的配置、应用案例等进行深入探讨。

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作为汽车工程师，对GPIO（通用输入/输出端口）有着深入的理解。GPIO端口是硬件设计中非常重要的部分，允许用户与硬件进行数据交互、控制硬件工作以及读取硬件状态。每个端口引脚都可灵活配置为输入或输出模式。在输入模式下，端口能够读取外部信号，如中断信号；在输出模式下，则可以控制如LED、蜂鸣器等设备。其应用广泛，对于汽车中的许多电子系统都至关重要，如ECU控制、传感器信号采集等。在汽车工程中，我们需要高效、准确地使用GPIO，以确保汽车各项功能的正常运行。