前言

學習了這么久的單片機，說來羞愧，直到寫這篇文章之前，我都沒有仔細去理解GPIO的八種使用模式，之前只是傻傻的用著，直到把模電，數電學完，到今天重新回顧了一遍這一個知識，發現自己終于看懂了之前沒有理解透徹的知識，特此總結下來，

GPIO是什么

從最基礎的51單片機，Arduino，到STM32，樹莓派等等，這些上面都會有GPIO口這么一個概念，如果你點開了我這個博客，說明你大概率開始學習單片機，那么你應該了解的就是這些口可以輸出高低電平，或者是讀取引腳上的輸入電平，
GPIO的總述功能如下

GPIO(general porpose intputoutput):通用輸入輸出埠的簡稱，可以通過軟體控制其輸出和輸入，stm32芯片的GPIO引腳與外部設備連接起來，從而實作與外部通信，控制以及資料采集的功能，
———GPIO簡介

下面擺一張以STM32內部GPIO口為例的內部原理圖，大伙也不要著急，先有一個這個圖的概念，下面就是開始講怎么理解GPIO口，

先來一點最基礎的知識
上拉和下拉：
當我們打開上拉電阻的開關，關閉下拉電阻的開關的時候，也就是此時為上拉通路導通，根據我們最基礎的電路知識，如果I/O口斷開不接外設，或者接了外設但是電路也斷開，此時整潭訓路是斷路的時候，電阻相當于不存在，此時O點的電位，也就被鉗制在了VDD(供電電壓正極)，于是O點就處于高電平，
同理，打開上拉電阻的開關，關閉下拉電阻的開關，那么在電路斷開的時候，根據電路知識，電阻相當于不存在，O點的電壓就就被鉗制在了VSS(GND)，也就是O點處于低電平，
數字信號和模擬信號
數字信號：就是根據一些規則，將一個范圍內的電壓規定為1，一個范圍內的電壓規定為0，也就是一連串的0,1信號
模擬信號：就是連續的讀取到的電壓值，
關于圖上的TTL施密特觸發器和P-MOS和N-MOS，后面講到對應部分的時候會講到，

GPIO的八大模式

GPIO可以分為輸入或者輸出，加起來一共有八種模式，

輸入模式

在輸入模式下，一共有四種輸出模式，分別是

• 模擬輸入
• 上拉輸入
• 下拉輸入
• 浮空輸入

浮空輸入

浮空輸入需要走的路徑如圖所示，首先得知道，浮空輸出走的這一條路徑，是對一個數字信號的讀取，
需要的電路如下：
VDD和VSS所在路徑的兩個開關同時關閉，此時沒有上拉和下拉的情況，所以當IO口沒有接輸入的時候，此時的電平會是一個不確定的值，也就是我們所說的浮空，電平會處于一個跳變的狀態，一會高，一會低，只有輸入了一個高/低電平才會確定下來，
注意：上拉和下拉電阻電路的開關在實際應用中一般使用MOS管來代替開關來提到，
再往前面走，就是走到了TTL施密特觸發器這一個部分，我們知道，由于電源的特性，或者是由于外部開關輸入的特性，輸入的數字信號，極有可能會出現脈沖等噪聲的影響，為了讓我們的波形更好看，或者信號更加清晰，所以就設定了TTL施密特觸發器這個東西，經過之后，我們就會把這個數字資訊存盤在輸入資料暫存器中，
這樣我們就讀到了IO過來的數字信號

優勢：這一種輸入模式的電平會完全取決于外部電路而與內部電路無關，有時候會用作對開關按鍵的讀取，

但是在沒有外部電路接入的時候，IO腳浮慷訓使得電平不確定

上拉輸入

上拉輸入需要走的路徑如圖所示，首先得知道，上拉輸出走的這一條路徑，是對一個數字信號的讀取，
需要的電路如下:
VDD所在上拉電阻開關打開，下拉電阻的開關關閉，
根據前面浮空輸入里面所提的，在沒有信號輸入的時候，根據電路知識，此時的電平就是VDD的電平，此時讀取到的電平就是高電平，如果輸入了一個高電平，VDD和O點(最上面的圖中的O點)之間就幾乎沒有電勢差，此時O點的電平就仍然是高電平，讀取到的電平就是高電平，但是由于在沒有電壓輸入的時候，電平也是高電平，所以這一種輸入情況下是沒有辦法確定信號是否輸入了，
當輸入信號是一個低電平的時候，此時O點的電平的電平就會變成低電平，那么VDD和O點之間形成了電勢差，但是因為上拉電阻的存在，所以不會出現一個大電流，此時單片機讀取到的一個電平就是一個低電平，在上拉輸入的情況下，低電平的是能夠非常明顯的讀取到的，
上拉輸入的好處就是輸入的電平不會上下浮動而導致輸入信號不穩定，在沒有信號輸入的情況下可以穩定在高電平，

下拉輸入

下拉輸入需要走的路徑如圖所示，首先得知道，下拉輸出走的這一條路徑，是對一個數字信號的讀取，
需要的電路如下:
VDD所在上拉電阻開關關閉，下拉電阻的開關打開，
根據前面浮空輸入里面所提的，在沒有信號輸入的時候，根據電路知識，電平就是VSS的電平，此時讀取到的電平就是低電平，此時輸入的電平如果是一個低電平，就沒有辦法和之前的情況進行區分，但如果輸入的是一個高電平，O點和VSS之間同樣形成了電勢差，O點的電平會變成外部的高電平，那么單片機得到的就是一個高電平信號，
下拉輸入的好處就是輸入的電平不會上下浮動而導致輸入信號不穩定，在沒有信號輸入的情況下可以穩定在低電平，

模擬輸入

模擬輸入需要走的路徑如圖所示，首先得知道，模擬輸出走的這一條路徑，是我們需要對一個模擬信號進行讀取，
在我們使用單片機的時候，我們有時候需要用AD采集到IO口上面的真實電壓，這就有了我們所需要的模擬輸入，為了讓外部的電壓真實的讀取到單片機的AD模塊，我們既不能打開上拉和下拉的開關，也不能讓信號經過施密特觸發器，

優勢：可以讓AD讀取電壓，還可以在低功耗模式下運行，實作省電的作用，

輸出模式

在輸出模式下，同樣也有四種輸出模式，分別是

• 開漏輸出
• 推挽輸出
• 復用開漏輸出
• 復用推挽輸出

開漏輸出

④⑤⑥⑦是讀取的程序，此處不管，
開漏輸出的電路路徑是①②③④，②前面的步驟就是一個對輸出信號的控制，不是重點，開漏輸出里面最重要的是③，也就是N-MOS這一部分，下面來補充一下模電知識，

我們可以把這一個MOS管當成一個三極管，對于圖中所示的這種三極管我們可以簡單的理解成一個水龍頭，左側就是一個水龍頭開關，當給一個高電平的時候， O點和GND就會導通，（O點的輸出就是一種反向器的輸出，也就是O點的電平會和左側MOS的柵極(三極管的基極)相反）
所以說，開漏輸出就很好理解了，當我們給一個低電平的時候，MOS管關閉，此時輸出的電壓就是一個浮空，即不確定的電壓，如果給一個高電平，那么MOS管導通，相當于IO口與VSS相連，此處就輸出了一個低電平電壓，
優勢①
雖然我們可以看到開漏輸出是沒有辦法在內部輸出一個高電平，但是這一個看似是缺點，其實實際上是一種優點，我們可以得到，當給一個低電平的時候，MOS管沒有導通，此時電壓不確定導致無法輸出高電平，但是一旦我們在外部增加一個上拉，那么這一個缺點就會被有效避免，并且，因為是我們自己設計一個上拉，這個上拉的電壓是由我們自己確定，這樣我們就可以根據外部電路需要多少V的高電平來給這一個上拉的電壓，可以更好的適應更多情況，如下圖，我們可以給定任意的VDD電壓，來適應我們實際所需要的情況，

優勢②
開漏輸出的實質其實就是一個OD門（OD：漏極輸出(Open Drain)），而在數電中，OD門有一個非常重要的特性就是可以實作線與的功能，簡單來說，就是在像IIC這樣的總線協議中，只要有一個給低電平，那么總線都會被拉低，

推挽輸出

推挽輸出就是可以需要利用兩個不同的MOS管來實作輸出，
P-MOS和N-MOS是不同的控制方式，當給一個高電平的時候，N-MOS導通，P-MOS不導通，此時IO口接通在VSS，此時輸出的是低電平，當給一個低電平的時候，P-MOS導通，N-MOS導通，此時IO口接通在VDD電源上面，此時輸出的是高電平，
一定要把這個MOS管理解成開關控制的水龍頭！！！
優勢
帶載能力強，

復用開漏輸出

復用推挽和復用開漏其實很簡單，在你理解了開漏和推挽的原理之后，如果你不想用單片機內部來輸出，那么你可以進行復用，將輸出轉移到其他外設上面

復用推完輸出

GPIO的輸出速率

GPIO還有一個十分重要的概念，也就是回應速度，相應速度是指，當你的電平需要改變的時候，這個改變的時間需要多少，如果你對這個時間要求十分嚴格，那么一定要使用高輸出速率的IO口，反之則反，