1. GPIO介绍

从最基础的51单片机，Arduino，到STM32，树莓派等等，这些上面都会有GPIO口这么一个概念，如果你点开了我这个博客，说明你大概率开始学习单片机，那么你应该了解的就是这些口可以输出高低电平，或者是读取引脚上的输入电平。
GPIO的总述功能如下：
GPIO(general porpose intput output):通用输入输出端口的简称。可以通过软件控制其输出和输入。GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通信，控制以及数据采集的功能。
下面以STM32内部GPIO口为例的内部原理图，先有一个这个图的概念，下面就是开始讲怎么理解GPIO口。

2. 基础知识介绍

先来一点最基础的知识
上拉和下拉：
当我们闭合上拉电阻的开关，断开下拉电阻的开关的时候，也就是此时为上拉通路导通。根据我们最基础的电路知识，如果I/O口断开不接外设，或者接了外设但是电路也断开，此时整条回路是断路的时候，电阻相当于不存在，此时O点的电位，也就被钳制在了VDD(供电电压正极)，于是O点就处于高电平。
同理，闭合上拉电阻的开关，断开下拉电阻的开关，那么在电路断开的时候，根据电路知识，电阻相当于不存在，O点的电压就就被钳制在了VSS(GND)，也就是O点处于低电平。
数字信号和模拟信号
数字信号：就是根据一些规则，将一个范围内的电压规定为1，一个范围内的电压规定为0，也就是一连串的0,1信号
模拟信号：就是连续的读取到的电压值。
关于图上的TTL施密特触发器和P-MOS和N-MOS，后面讲到对应部分的时候会讲到。
电源符号含义
VDD：D=device 表示芯片内部工作电源（一般VDD<VCC）。端口引脚电路中的VDD表示能够容忍3.3V电压（最大3.6V），如果是VDD_FT则表示能够忍5V。
VSS：S=series 表示公共连接，通常指电路公共接地端电压。
TTL肖特基触发器：即为用肖特基管构成的施密特触发器，施密特触发器利用门阀电压将引脚模拟信号变成矩形信号，进行转化为0/1数字信号存入输入数据寄存器。
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

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。

3. GPIO八种工作模式

3.2 上拉输入模式

上拉输入模式：与浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道前端接入了一个上拉电阻，其余无变化。 模式特点：在无信号输入时端口电位受上拉电阻钳制，I/O端口输入电平始终保持为高电平；而当端口输入电平为低电平时，I/O端口输入电平为低电平。 适用场合：需要IO内部上拉电阻输入时，器件的外部中断（IRQ）引脚触发中断条件为下降沿触发/低电平触发，这样在无信号输入时始终保持高电平，如果有事件触发中断IRQ可以输出一个低电平，进而可产生（下降沿/低电平）中断。例如单片无线收发器芯片NRF24L01的IRQ引脚的工作模式即为上拉输入模式。

对于为什么要加上拉或下拉电阻：
1.当作单片机作为输入时，假设我们直接在IO端口接一个按键到地（或电源）。因为按键按与不按管脚都是悬空的。单片机就很难检测按键是否按下。所以人为的接一个上拉（或下拉）。以确定未按下的时候IO输入电平的状态。
2.可以提高芯片的抗干扰能
3.当单片机的IO口作输出时，如果不接上拉电阻只能提供灌电流。无法输出电流驱动外接设备。这时也需要考虑上拉电阻。这样才可以使IO输出高电平

3.4 模拟输入模式

模拟输入模式：数据通道不接入任何处理单元（TTL触发器/钳制电阻），直接输入MCU内部的处理单元。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。模拟信号一般：3.3v 5v 9v。
模式特点：相较于其他输入模式只能读取到逻辑高/低电平（数字量），该模式能读取到细微变化的值（模拟量）。 适用场合：ADC模拟输入/低功耗下省电。

可以输出0和1，适用于电平不匹配场合，要得到高电平需要上拉电阻才行。

开漏输出模式下（上拉电阻+N-MOS管），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。

3.6 开漏复用输出模式

复用开漏输出：与开漏输出特性一致，只不过引脚选择了复用功能，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。适用场合：常见片内外设（I2C/SMBus等等）

可以输出高低电平0和1，适用于双向IO使用。

推挽输出模式下（P-MOS管+N-MOS管），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。

3.8 推挽复用输出模式

复用推挽输出：在STM32中，一个引脚通常可作为普通GPIO来使用，但通常有多个复用模块对应着同一个引脚，那么当这个GPIO作为内置外设引脚时，就叫做复用模式。 适用场合：常见片内外设（USART TX引脚/SPI/PWM输出等等）

上拉输入：
这两个程序差别仅一个单词，功能却不一样，这就是程序的魅力。

来源：Frank-Hu