如何配置IO的输出模式？

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张梅

2022-2-7 16:01:28

在上一章，我们把IO系统的时钟源进行了一个梳理和详细分析，在正确的配置了相关的系统时钟源和IO模块的时钟源后，接下来还要做一件重要的事情，就是配置IO的输出模式。
既然是IO，就有输出也有输入，所以需要配置来选择正确的方向。

上图是STM32F103的IO基本结构图。
我们把这张图分两部分来解读：

第一部分：输入input，如图中红色部分所示

当I/O端口配置为输入时，如上图简化后的图，注意红色圆圈的几个地方：
1.输出缓冲器被禁止，如图A点，被断开，所以你的输出数据无法反应到IO端口上，此路不通。
2. 施密特触发输入被激活，如图B点
这两步动作是把端口模式配置为输入后自动进行的，无需额外配置
3. 根据输入配置(上拉，下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接
4. 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器，这就是IO能捕捉到数据的最大的频率，如果你的输入数的频率高于这个频率，将不会正确的捕捉到。
5. 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态。

输入的三条路径如下

第一条路径是模拟信号输入路径，它是直达系统的模拟输入器件端口的，比如ADC，比较器等模拟威廉希尔官方网站，所以它要绕过输入部分的数字威廉希尔官方网站（施密特触发器）。如下图ADC的输入路径所示，它从IO口进来后会进入一个MUX（多路复用器，算是一个模拟开关），然后到达ADC转换单元完成模拟到数字的转换后，才送到后端进行进一步的处理。

特别留意一下模拟输入的时候示意图如下：

如上图所示，当I/O端口被配置为模拟输入时：

输出缓冲器被禁止；
禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。施密特触发输出值被强置
为’0’；所以，此时输入阻抗很高，容易吸收干扰信号。
弱上拉和下拉电阻被禁止；
读取输入数据寄存器时数值为’0’

第二条路径是特殊功能输入，但是它输入的是数字信号，典型的应用比如UART的接收，PWM的捕获等数字信号。这个数字信号还会送到后面的数字威廉希尔官方网站进行进一步的处理，比如UART。下图中红色代表UART的接收数据RX，它会经过一个移位寄存器，按照我们设定的参数（数据位数，奇偶校验位，停止位数等）把数据组合成一个字节后，才送入RDR寄存器。

对于特殊功能的路径，简化后如下：

当I/O端口被配置为复用功能时：

在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开
内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)，路径是图中A点，此时IO输出数据的路径被断开，所以你无法写数据到IO引脚
施密特触发输入被激活。
弱上拉和下拉电阻被禁止，如图C，上下拉电阻被disable掉了。
5.在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器，此采样频率决定了外设的工作速度
开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态
在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

第三条路径是最简单的一条路径。它把IO引脚的电平经过可选的施密特触发器整型后（所以你的输入电平要达到一定的电压才能被认识为高电平），就直接把结果放入到输入寄存器了，你读到的IO电平就是这个寄存器的数值。

第二部分输出output，如第一张图的蓝色部分所示

当I/O端口被配置为输出时，IO的结构如上图所示：
1.输出缓冲器被激活
─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(PMOS从不被激活，相当于已经被从系统断开)。
─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。
2. 施密特触发输入被激活，如图C点
3. 弱上拉和下拉电阻被禁止
4.出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器，这样才可以读到输出的数据
5.在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态
6. 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

对应的输出也会有三条路径

从图上可以看出来，三路输出的路径最后都要经过一个输出控制单元的控制，所以输出路径的特殊之处在于没有模拟信号输出。
第一条路径是特殊功能输出，比如UART的TX，DAC的输出等。
第二条路径，就是直接写端口的寄存器来输出数据，如下图所示，STM32F103的输出数据一般都是16bit（32bit的MCU最高是可以到32bit的）。
GPIOA->ODR = 0x0012; //将0x0012送到A端口，输出完毕后，端口的bit1，bit5变1

第三条路径就是arm的一个特殊操作，bit操作。这个操作的目的就是加速单个IO的数据输出速度。
IO的数据输入输出寄存器是32bit，我们读的时候就是一次性读入的，写也是一次性输出的，比如向GPIOA输出数据：
GPIOA->ODR = PortVal; //这样输出是一次性输出16bit，同时改变16位的数据。如果我们只需要输出bit0的数据，就需要这样来操作才可以：PortVal = GPIOx->ODR；//先读入整个端口的输出寄存器值。PortVal &= 0xFFFFFFFE；//mask掉bit0If(要输出bit0==1) PortVal |= 0x00000001;GPIOA->ODR = PortVal; //输出数据以上操作相当的繁琐，效率低下，如果用ARM的位操作来做，非常简单：
GPIOA->BSRR = GPIO_Pin1；// GPIO_Pin1 == 1 只需要向这个特殊的寄存器的对应位写1就一步完成了操作，效率提高若干倍。
要注意的是复位对应的位也是写1而不是0，只是所用的寄存器不一样，
GPIOA->BRR = GPIO_Pin1；// GPIO_Pin1 ==0