这次小编带来的是一些嵌入式基础理论概念，若有不正确的地方，欢迎一起探讨。
1.GPIO的基础知识
1.1GPIO的基本概念
1.1.1 GPIO是什么
GPIO即General Purpose Input/output，通用输入输出出口。是MCU的一个 内部结构，用来做输入输出的控制电路。
输入输出的本质就是输入输出高低电平，更严谨的来说就是可软件配置的外部引脚电路。从而达到获取外设信息，控制外设的目的。
输入的原因：这些高低电平，在上层语言层解释就是0/1，在下层硬件外设角度，就会被视为MCU控制外设的手段。
输出的原因：单片机的核心作用是“控制”，控制相关外设，就必须先获取外设相关的数据，然后根据外设状态数据变化，再通过输出控制外设或者报告给用户等。
复用GPIO：同一个物理引脚，通过多路选择器 MUX 切换控制权，交给片上外设（UART、SPI、I2C、PWM、CAN 等）接管，不再由 GPIO 寄存器控制高低电平。
需要复用GPIO的原因：引脚数量有限；减轻CPU负担。
1.1.2 GPIO Port与Pin的概念
Port：端口的意思，Port原意为“港口”，在计算机科学中引申为“数据交换的入口或出口”，现代微控制器（eg.STM32）继承了这一概念，将这一组GPIO引脚称为“GPIO Port”（eg.GPIOA,GPIOB）,因为他们本质上是芯片与外部世界的“数据交换接口”。
Pin：就是引脚的意思。
之所以称为“GPIO Port”而不是“GPIO Group”是因为Group只能体现分组概念，体现不出来数据交换概念。Port在计算机领域，就有数据交换的概念之分。
1.1.3 GPIOA，GPIOB，GPIOC等端口
每组GPIO是一个独立外设，有自己的寄存器，每组端口最多包含16哥引脚：Px0~Px15(x=A/B/C/D...)
GPIOA、GPIOB、GPIOC 在存储器上映射到不同的基地址，所以操作 GPIOB 不会影响 GPIOA。
1.1.4 PA0，PA1，PB0等引脚编号
含义：PAx:Port A，第 x 号引脚，属于 GPIOA 端口;
PBx:Port B，第 x 号引脚，属于 GPIOB 端口;
PCx:Port C，第 x 号引脚，属于 GPIOC 端口;
逻辑引脚名（PA0、PB0）：软件、原理图上用的名字，和寄存器对应。
芯片物理引脚号（Pin1、Pin2…）：芯片封装上的引脚序号，和 PA0 没有数字上的对应关系。
PA0、PA1、PB0 是端口 + 组内序号的逻辑引脚名称，用来把代码里的寄存器位和芯片硬件引脚对应起来。
1.1.5 GPIO与MCU芯片引脚的对应关系
PA0/PA1/PB0 是逻辑引脚名；逻辑引脚通过芯片内部金属走线，固定连接到芯片封装上的物理引脚（Pin），这个映射关系由芯片厂商定义，写在芯片数据手册的引脚表中。
三层关系:软件层：GPIOA/GPIOB（端口外设），有一套寄存器;
逻辑引脚：PA0、PA1、PB0，对应端口寄存器的某一位;
硬件层：芯片物理引脚 Pin n，芯片外壳上的焊盘引脚;
GPIO并不是一个单独的“功能”，而是 MCU 与外部世界进行数字信号交互的基础接口。
1.2GPIO的内部结构
1. 2.1输入通道
引脚外部电平 → 保护二极管 → 上拉 / 下拉电阻 →施密特触发器（把模拟电平整形为标准数字 0/1） → 输入数据寄存器 IDR
施密特触发器：消除电平抖动，防止噪声误判高低电平。
1.2.2输出通道
输出数据寄存器 ODR（或者复用外设信号） → 输出驱动电路（PMOS+NMOS 管） → 芯片外部引脚。
1.2.3输入数据寄存器 IDR（GPIOx_IDR）
只读寄存器
每一位对应一个引脚：bit0 对应 PA0
作用：读取引脚当前外部电平，高电平读 1，低电平读 0。
IDR 反映的是芯片引脚上真实电平，不是 ODR 的值。
1.2.4输出数据寄存器 ODR（GPIOx_ODR）
可读写寄存器
写 1：让引脚输出高；写 0：让引脚输出低。
写 ODR 只是设置输出电平，最终引脚电平还要看输出驱动电路。
1.2.5上拉电阻 / 下拉电阻（片内）
由寄存器 PUPDR 控制开关：
上拉电阻：接通后，引脚默认被拉到 VCC。引脚悬空时电平为高。
下拉电阻：接通后，引脚默认被拉到 GND。引脚悬空时电平为低。
关闭：浮空（高阻态），悬空引脚电平不确定，容易受干扰。
1.2.6输出驱动电路（PMOS + NMOS 两个 MOS 管）
两种模式：
推挽输出：PMOS 和 NMOS 配合。输出高时 PMOS 导通；输出低时 NMOS 导通。驱动能力强，适合驱动 LED。
开漏输出：只使用 NMOS，PMOS 永远断开。输出 1 时引脚高阻；输出 0 时拉低。适合 I2C 这类总线。
1.2.7复用功能
GPIO 引脚可以把控制权交给片上外设（USART、SPI、TIM、ADC）：
复用输出：引脚不再受 ODR 控制，由外设输出信号（如串口 TX）
复用输入：外部信号送入外设（串口 RX）
配置 MODER 为复用模式，再通过 AFR 寄存器选择具体复用功能。
2.GPIO的工作模式
2.1输出模式
通用，就是通常使用，指的是ARM-CPU直接控制GPIO输出。
复用，就是重复使用，指的是MCU内部的片上外设，复用GPIO进行输入输出。
复用器是从多组输入信号中，选择一个作为有效输入。GPIO到底是被ARM-CPU直接使用，还是被其他片上外设使用，达到复用效果，就有他说了算。
输出控制电路：接受内部逻辑电平，直接驱动输出级MOS管的栅极，控制其通断，从而将弱信号转换为具有足够驱动能力的外部输出电平。
补充：要理解GPIO输出先要理解P-MOS和N-MOS。
MOS：MOSFET，金属氧化物半导体场效应管。
P-MOS：P沟道金属氧化物半导体。
N-MOS：N沟道金属氧化物半导体。
P-MOS和N-MOS的本质是一个开关。
2.1.1通用推挽输出
核心思想：交替闭合或者开启P-MOS和N-MOS即可。
输出数据寄存器写1，闭合P-MOS，断开N-MOS，输出高电平。
输出数据寄存器写0，断开P-MOS，闭合N-MOS，输出低电平。
本质是交替闭合断开，P-MOS和N-MOS开关，让外部引脚接入VDD或者接地，进而对外呈现出高电压和低电压，然后因为电路通路，形成有输出电流（推）和吸收（挽）电流的效果。
2.1.2通用开漏输出
核心思想：去掉P-MOS，让P-MOS永远关闭。
在开漏模式下，MCU针对特定引脚的输出，都是该引脚对应的N-MOS的漏记输出。
向输出数据寄存器写1，最终表示的是N-MOS断开。
向输出数据寄存器写0，表示N-MOS管闭合。
输出数据寄存器写0，N-MOS闭合，输低电平；
输出数据寄存器写1，N-MOS断开，输出高阻抗；所谓高阻抗，就是MCU和外部针脚彻底断开，相当于开路，或者N-MOS D漏极和外部引脚互相悬空。
开漏模式，输出只能输出低电平和高阻抗，无法输出高电平。
2.1.3复用推挽输出
核心思想：引脚输出控制权，从 GPIO 的 ODR 寄存器交给片上外设；输出驱动电路仍然是 PMOS+NMOS 推挽结构，高低电平都具备强驱动能力。
2.1.4复用开漏输出
核心思想：引脚输出控制权交给片上外设，不再受 ODR 寄存器控制；输出驱动采用开漏结构，输出低电平时导通拉低，输出高电平时为高阻态。
2.2输入模式
2.2.1浮空输入
断开下拉电阻开关，断开上拉电阻开关。
2.2.2上拉输入
闭合上拉电阻开关，断开下拉电阻开关。
开关在MCU内部，可以通过MCU提供的配置寄存器选择闭合还是断开某一个开关。
2.2.3下拉输入
闭合下拉电阻开关，断开上拉电阻开关。
2.2.4模拟输入
关闭该引脚的数字输入输出电路（施密特触发器、上下拉电阻、输出驱动全部关闭），把外部连续变化的模拟电压直接送入 ADC 模数转换模块，用来采集电压信号。
以上就是小编本期带来的内容。若有不当之处，欢迎指正。
