对通用输入输出GPIO的深入理解

一.GPIO简介
I/O（Input/Output）接口是一颗微控制器必须具备的最基本外设功能。通常在ARM里，所有I/O都是通用的，称为 GPIO（General Purpose Input/Output）。每个GPIO端口包含8个管脚，如PA端口是PA0～PA7。GPIO模块支持多个可编程输入/输出管脚（具体取决于与 GPIO复用的外设的使用情况）。GPIO模块包含以下特性：
1）可编程控制GPIO中断
---屏蔽中断发生
---边沿触发（上升沿、下降沿、双边沿）
---电平触发（高电平、低电平）
2）输入/输出可承受5V
3）在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽
4）可编程控制GPIO管脚配置：
---弱上拉或弱下拉电阻
---2mA、4mA、8mA驱动，以及带驱动转换速率（Slew Rate）控制的8mA驱动
---开漏使能
---数字输入使能

二.GPIO的各种模式
GPIO管脚可以被配置为多种工作模式，其中有3种比较常用：高阻输入、推挽输出、开漏输出

1． 高阻输入(Input)

图1.1 GPIO高阻输入模式结构示意图

为减少信息传输线的数目，大多数计算机中的信息传输线采用总线形式，即凡要传输的同类信息都在同一组传输线，且信息是分时传送的。在计算机中一般有三组总 线，即数据总线、地址总线和控制总线。为防止信息相互干扰，要求凡挂到总线上的寄存器或存储器等，它的输入输出端不仅能呈现0、1两个信息状态，而且还应 能呈现第三个状态----高阻抗状态，即此时好像它们的输出被开关断开，对总线状态不起作用，此时总线可由其他器件占用。三态缓冲器即可实现上述功能，它 除具有输入输出端之外，还有一控制端。

如图1.1所示，为GPIO管脚在高阻输入模式下的等效结构示意图。这是一个管脚的情况，其它管脚的结构也是同样的。输入模式的结构比较简单，就是一个带 有施密特触发输入（Schmitt-triggered input）的三态缓冲器（U1），并具有很高的输入等效阻抗。施密特触发输入的作用是能将缓慢变化的或者是畸变的输入脉冲信号整形成比较理想的矩形脉冲 信号。执行GPIO管脚读操作时，在读脉冲（Read Pulse）的作用下会把管脚（Pin）的当前电平状态读到内部总线上（Internal Bus）。在不执行读操作时，外部管脚与内部总线之间是隔离的。

2． 推挽输出(Output)

图1.2 GPIO推挽输出模式结构示意图

推挽输出原理：在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路，这种电路中用两只三极管构成一级放大器电路，两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半 周，即用一只三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。

　 　 推挽放大器电路中，一只三极管工作在导通、放大状态时，另一只三极管处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，原先导通、放大的三极管进入截止，而原 先截止的三极管进入导通、放大状态，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器（armjishu.com）。

如图1.2所示，为GPIO管脚在推挽输出模式下的等效结构示意图。U1是输出锁存器，执行GPIO管脚写操作时，在写脉冲（Write Pulse）的作用下，数据被锁存到Q和/Q。T1和T2构成CMOS反相器，T1导通或T2导通时都表现出较低的阻抗，但T1和T2不会同时导通或同时 关闭，最后形成的是推挽输出。在推挽输出模式下，GPIO还具有回读功能，实现回读功能的是一个简单的三态门U2。注意：执行回读功能时，读到的是管脚的 输出锁存状态，而不是外部管脚Pin的状态。

3． 开漏输出(OutputOD)

图1.3 GPIO开漏输出结构示意图

如图1.3所示，为GPIO管脚在开漏输出模式下的等效结构示意图。开漏输出和推挽输出相比结构基本相同，但只有下拉晶体管T1而没有上拉晶体管。同 样，T1实际上也是多组可编程选择的晶体管。开漏输出的实际作用就是一个开关，输出“1”时断开、输出“0”时连接到GND（有一定内阻）。回读功能：读 到的仍是输出锁存器的状态，而不是外部管脚Pin的状态。因此开漏输出模式是不能用来输入的。

开漏输出结构没有内部上拉，因此在实际应用时通常都要外接合适的上拉电阻（通常采用4.7～10kΩ）。开漏输出能够方便地实现“线与”逻辑功能， 即多个开漏的管脚可以直接并在一起（不需要缓冲隔离）使用，并统一外接一个合适的上拉电阻，就自然形成“逻辑与”关系。开漏输出的另一种用途是能够方便地 实现不同逻辑电平之间的转换（如3.3V到5V之间），只需外接一个上拉电阻，而不需要额外的转换电路。典型的应用例子就是基于开漏电气连接的I2C总 线。

4． 钳位二极管
GPIO内部具有钳位保护二极管，如图1.4所示。其作用是防止从外部管脚Pin输入的电压过高或者过低。VDD正常供电是3.3V，如果从Pin 输入的信号（假设任何输入信号都有一定的内阻）电压超过VDD加上二极管D1的导通压降（假定在0.6V左右），则二极管D1导通，会把多于的电流引到 VDD，而真正输入到内部的信号电压不会超过3.9V。同理，如果从Pin输入的信号电压比GND还低，则由于二极管D2的作用，会把实际输入内部的信号 电压钳制在－0.6V左右。

图1.4 GPIO钳位二极管示意图

假设VDD＝3.3V，GPIO设置在开漏模式下，外接10kΩ上拉电阻连接到5V电源，在输出“1”时，我们通过测量发现：GPIO管脚上的电压 并不会达到5V，而是在4V上下，这正是内部钳位二极管在起作用。虽然输出电压达不到满幅的5V，但对于实际的数字逻辑通常3.5V以上就算是高电平了 (armjishu.com)。

图1.5 解决开漏模式上拉电压不足的方法

如果确实想进一步提高输出电压，一种简单的做法是先在GPIO管脚上串联一只二极管（如1N4148），然后再接上拉电阻。参见图1.5，框内是芯 片内部电路。向管脚写“1”时，T1关闭，在Pin处得到的电压是3.3＋VD1＋VD3＝4.5V，电压提升效果明显；向管脚写“0”时，T1导通，在 Pin处得到的电压是VD3＝0.6V，仍属低电平。