2.4 GPIO结构

意思是在这个端口输入5V电压，也认为是高电平，但是对于输出而言，最大只能输出3.3V，因为供电就只有3.3V。具体哪些端口可以容忍5V，可以参考STM32的引脚定义，带FT（Five Tolerate）的是可以容忍5V输入的引脚。

IO引脚，这里接了两个保护二极管，这个是对输入电压进行限幅的，上面这个二极管接VDD,3.3V,下面接VSS,0V。

如果输入电压比3.3V还要高，那上方这个二极管就会导通，输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样就可以避免过高的电压对内部这些电路产生伤害。

如果输入电压比0V还要低，这个电压是相对于VSS的电压，所以是可以有负电压的，那这时下方这个二极管就会导通，电流会从VSS直接流出去，而不会从内部汲取电流，也是可以保护内部电路的。

如果输入电压在0~3.3V之间，那两个二极管均不会导通，这时二极管对电路没有影响，这就是保护二极管的用途。

上拉电阻和下拉电阻，上拉电阻至VDD，下拉电阻至VSS，这个开关是可以通过程序进行配置的，如果上面导通、下面断开，就是上拉输入模式；如果下面导通、是上面断开，就是下拉输入模式，如果两个都断开，就是浮空输入模式。

上拉和下拉有什么作用呢？

这个其实是为了给输入提供一个默认的输入电平的，因为对应一个数字的端口，输入不是高电平就是低电平，那如果输入引脚啥都不接，那到底算是高电平还是低电平呢？这就不好说了，实际情况是，如果输入啥都不接，这时输入就会处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变，就像是一个物体悬浮在太空一样，它的位置是不确定的，受到一点扰动就会变化，为了避免引脚悬空导致的输入数据不确定，我们就需要在这里加上上拉或者下拉电阻，如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可以称作默认为高电平的输入方式，下拉也同理，就是默认为低电平的输入方式。

这个上拉或者下拉电阻的阻值都是比较大的，是一种弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作。

这个施密特触发器的作用就是对输入电压进行整形的，它的执行逻辑是，如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平；如果输出电压小于某一阈值，输出就会瞬间将为低电平。

举个例子，因为这个引脚的波形是外界输入的，虽然是数字信号，实际情况下可能会产生各种失真，如果没有施密特触发器，那很有可能因为干扰而导致误判，如果有了施密特触发器，定一个这样的阈值上下限，高于上限输出高，低于下限输出低，中间对电压留有一定的变化范围，这样可以有效的因信号波动造成的输出抖动现象。

经过施密特触发器整形的波形就可以直接写入输入数据寄存器了，我们再用程序读取输入数据寄存器对应的某一位的数据，就可以知道端口的输入电平了。

最后上面还有两路线路，这些就是连接到片上外设的一些端口。

其中有模拟输入，这个是连接到ADC上的，因为ADC需要接收模拟量，所以这个线是接到施密特触发器前面的。

另一个是复用功能输入，这个是连接到其他需要读取端口的外设上的，比如串口的输入引脚等，这根线接受的数字量，所以在施密特触发器后面。

数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制，两种方式通过数据选择器接到了输出控制部分。

如果选择通过输出数据寄存器进行控制，就是普通的IO口输出，写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的端口了，那左边还有个叫做位设置/清除寄存器，这个可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位，因为输出数据寄存器可以同时控制16个端口，并且这个寄存器只能整体读写，所以想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话，就需要一些特殊的操作方式，第一种方式实现读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，最后再将更改后的数据写回去，在C语言中就是&=和|=的操作，这种方法比较麻烦，效率不高，对于IO口的操作而言不太合适；

第二种方式是通过设置这个位设置/位清除寄存器，如果我们要对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要操作的位写0，这样它内部就会有电路，自动将输出数据寄存器中的对应位置置为1，而剩下写0的位则保持不变，这样就保证了只操作其中某一位而不影响其他位，并且这是一步到位的操作；如果我们要对某一位进行清0的操作，就在清除寄存器的对应位写1即可，这样内部电路就会把这一位清0了，这就是第二种方式，这也就是这个位设置和位清除寄存器的作用。

另外还有第三种操作方式，就是读写STM32中的“位带”区域，在STM32中，专门分配的有一段地址区域，这段地址区域映射了RAM和外设寄存器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位，这就是位带的操作方式。

接下来输出控制之后就接到了两个MOS管，上面是P-MOS，下面是N-MOS，这个MOS管就是一种电子开关，我们的信号来控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS，在这里可以选择推挽、开漏或者关闭三种输出方式。

在推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效，数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，就是输出高电平。数据寄存器为0时，上管断开，下管导通，输出直接接到VSS，就是输出低电平。这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式可以叫做强推输出模式。在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都由STM32决定。

在开漏输出模式下，这个P-MOS是无效的，只有N-MOS在工作，数据寄存器为1时，下管断开，这时输出就相当于断开，也就是高阻模式。数据寄存器为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平。这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平是没有驱动能力的。 开漏输出模式有什么用呢？这个模式可以作为通信协议的驱动方式，比如I2C通信的引脚，就是使用的开漏模式，在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰，另外开漏模式还可以用于输出5V的电平信号，比如在IO口外界一个上拉电阻到5V的电源，当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS，到输出高电平时，由外部的上拉电阻拉高至5V，这样就可以输出5V的电平信号，用于兼容一些5V电平的设备，这就是开漏输出的主要用途。

最后一种模式就是关闭，这个是当引脚配置为输入模式的时候，这两个MOS管都无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制。