作者：junziyang

GPIO的不同輸入模式是在程序中通過GPIOx_CRL和GPIOx_CRH兩個寄存器進行配置的。配置寄存器的值影響的是片內電路的通斷（可以理解為每個位控制1個開關），不同GPIO模式對應的是不同的片內連通狀態。根據GPIO的模式，片內配置可分為四類：

1. 輸入配置（Input Configuration）

輸入配置包括輸入浮空、輸入上拉和輸入下拉3種寄存器配置。片內配置原理示意圖如圖1所示。右側的輸入I/O引腳上、下各有一個保護二極管，其作用是防止外部過高的電壓輸入對內部電路造成損壞。如果輸入正電壓顯著高於VDD，則上方二極管導通；如果輸入負電壓顯著低於VSS，則下方二極管導通。這樣可以將輸入芯片內部的電壓鉗制在VDD和VSS附近（約±0.7V）。

圖1. 輸入浮空/上拉/下拉模式芯片內部配置

說明：

• ODR與引腳間斷開。此時ODR可被CPU讀寫，可輔助配置寄存器，實現輸入上/下拉模式配置。
• 片內弱上/下拉功能開啟。上拉時上方的開關閉合，下拉時下方的開關閉合，浮空輸入時兩個開關均開啟。
• Schimtt Trigger開啟，在每個APB2時鐘周期，信號經此TTL觸發器取樣，輸入IDR。
• 讀取IDR可得到I/O電平狀態。
• 對於可接受5V輸入的I/O引腳，可用VDD_FT替代VDD。

2. 輸出配置（Output Configuration）

通用輸出推挽和開漏兩種輸出模式片內配置原理示意圖如圖2所示。

圖2. 通用輸出推挽/開漏模式片內配置

說明：

• ODR與引腳連通。
• 片內弱上/下拉功能關閉。
• 開漏模式：輸出控制器將P-MOS柵極置1，P-MOS始終不工作。ODR為1時，N-MOS導通，輸出低電平；ODR為0時，N-MOS也截止，引腳處於既不是高電平也不是低電平的高阻態。可見，開漏模式隻能輸出低電平。
• 推挽模式：ODR為0時P-MOS導通、N-MOS截止，輸出高電平；ODR為1時，N-MOSE導通，P-MOS截止，輸出低電平。推挽模式可以輸出高/低電平。
• Schmitt觸發器開啟，在每個APB2時鐘周期，引腳電平都被取樣存入IDR。
• 讀取IDR寄存器可以獲得引腳當前電平狀態。

3. 復用功能配置（AFIO Configuration）

STM32內部集成了眾多的外設控制器，如USART、ADC等，如果原來的GPIO引腳（通過對ODR或IDR的操作輸出或輸入電平信號）要充當外設控制器的引腳，此時需要將引腳配置為AFIO（Alternate Function Input/Output）模式，即通過配置相關寄存器，將引腳與外設控制器連通。具體到某個GPIO引腳可以復用哪些功能（可接哪些外設），需要查閱芯片的《Data Sheet》中對引腳的定義，一般在數據手冊的Pinouts and pin descriptions章節有關於引腳定義的表格。AFIO復用功能輸入輸出模式片內配置原理示意圖如圖3所示。

圖3. AFIO復用功能輸入輸出模式片內配置

說明：

• ODR開啟，但不是直接與引腳相連，隻能被芯片內部的外設控制器訪問。
• 片內弱上/下拉功能關閉。
• Schmitt觸發器開啟，在每個APB2時鐘周期，引腳電平都被取樣存入IDR。
• 讀取IDR寄存器可以獲得引腳當前電平狀態。
• 復用輸出支持推挽/開漏。
• 主要特征：輸入/輸出均匯於片內外設。對大多數外設，I/O須配置為復用模式。

4. 模擬配置（Analog Configuration）

模擬配置用於ADC的輸入和DAC的輸出。

圖4. 模擬模式片內配置

說明：

• ODR與引腳斷開。
• 片內弱上/下拉關閉。
• Schmitt觸發器關閉。省電！
• 這種模式下讀取IDR始終返回0。

Analog模式是最省電的模式。特別是對電池供電的應用場合，建議將所有GPIO引腳初始化為Analog，然後再按需設置用到的I/O引腳的工作模式。可以在程序調用GPIO_Init()之類的函數初始化I/O之前，調用如下函數：

void GPIO_SetAllIO2Analog(void){
  RCC->APB2ENR |= 0x000041FC; //Enalbe GPIOA-G
	GPIOA->CRL = 0x00; // Set all GPIO to Analog,
	GPIOA->CRH = 0x00; // in order to save energy.
	GPIOB->CRL = 0x00;
	GPIOB->CRH = 0x00;
	GPIOC->CRL = 0x00;
	GPIOC->CRH = 0x00;
	GPIOD->CRL = 0x00;
	GPIOD->CRH = 0x00;
	GPIOE->CRL = 0x00;
	GPIOE->CRH = 0x00;
	GPIOF->CRL = 0x00;
	GPIOF->CRH = 0x00;
	GPIOG->CRL = 0x00;
	GPIOG->CRH = 0x00;
 RCC->APB2ENR &= ~0x000041FC;//DisEnalbe GPIOA-G                         
} 

註意：一定要在調用GPIO_SetAllIO2Analog()之後，再調用GPIO_Init()，執行使能時鐘、初始化所需I/O端口等操作。

總結：

• I/O端口對外雖然隻是一個引腳，但每個引腳在芯片內部可能有多種連通路徑。
• 具體連通哪條路徑，是通過配置相關的寄存器（開關）來實現的。
• I/O端口的復用和重映射都是基於這一原理。可以根據需求，通過配置寄存器，將內部外設切換到某個可選的引腳。
• 具體到某個外設，需要設置為哪種GPIO模式，可查閱芯片的《Reference Manual》中關於GPIO和AFIO的章節。
• 具體的某個引腳，可能的復用和重映射選項，可查閱芯片的《Data Sheet》中關於Pin definitions相關的表格。

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