GPIO信号介绍

一、GPIO信号基础知识

GPIO(General-Purpose input/output),通用型之输入输出端口的简称，可以通过软件控制其输出和输入，市面上绝大部分芯片都会提供一个"通用可编程IO接口"，即GPIO。

GPIO信号原理框图

目前市面上使用的芯片，其内部GPIO信号电路结构都如上图所示，其输入保护二极管用于防止引脚外部过高正电压、负电压输入，当电压高于VDD时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方二极管导通，防止外部脉冲电压引入损毁芯片。

TTL施密特触发器：基本原理是当输入电压高于正向阈值电压，输出未高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低。IO口信号经过触发器后模拟信号转化为0和1的数字信号，也就是高低电平，并且符合TTL电平协议。

P-MOS管和N-MOS管：信号由P-MOS管和N-MOS管，依据两个MOS管的工作方式，使得GPIO具有"推挽输出"和"开漏输出模式"，P-MOS管高电平导通，低电平关闭；N-MOS管低电平导通，高电平关闭。

二、GPIO信号的8种模式：

2.1、浮空输入：

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据存储器。I/O电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的，通常用于IIC、UART等总线设备。

2.2、上拉输入模式：

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据存储器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平保持在高电平（并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也是低电平）

2.3、下拉输入模式：

下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据存储器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平保持在低电平（并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也是高电平）    

2.4、模拟输入模式：

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模块电路。

2.5、开漏输出模式：

在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果控制输出为低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出为低电平；若控制输出为高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起作用，此时I/O端口的电平由外部的上拉或者下拉决定，如果没有上拉或者下拉I/O口就处于悬空状态。    

2.6、推挽输出模式：

在推挽输出模式时，N-MOS管、P-MOS管都工作，如果控制输出为低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出为低电平；若控制输出为高电平，则N-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出为高电平，外部的上拉或者下拉的作用是控制在没有输出时I/O电平。

2.7、复用开漏输出模式：

GPIO复用为其它外设，输出数据寄存器无效；输出高低电平来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据存储器可获取I/O实际状态，除了输出信号的来源改变其它与开漏输出功能相同。    

2.8、复用推挽输出：

GPIO复用为其它外设，输出数据寄存器无效；输出高低电平来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据存储器可获取I/O实际状态，除了输出信号的来源改变其它与推挽输出功能相同。