（洛阳师范学院信息技术学院 河南·洛阳 471934）

0 引言

输入/输出端口是STM32微控制器最基本的片上外设。I/O端口工作在输入状态时，既可接收数字信号，亦可接收模拟信号；I/O端口工作在输出状态时，根据程序的运行结果，输出驱动外部负载工作。STM32的常规输入/输出 GPIO 具有浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入、推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出8种工作模式，根据用户需要进行编程设置。

STM32F103ZET6具有7组I/O端口，PA～PG，每组端口16位，共112个I/O口。这些端口大都具有多重功能，既可作为常规I/O端口，又可编程为其它功能，如EXTI引脚、ADC通道引脚、SPI引脚、FSMC引脚、USART引脚等。

1 输入/输出端口的结构

1.1 输入/输出端口的结构

输入/输出端口电路是可编程的，主要由保护电路、输入驱动器、输出驱动器、输入数据寄存器和输出数据寄存器等构成，如图1所示。STM32F103ZET6具有112个这样的 I/O端口电路。

保护电路中的两个保护二极管，防止I/O引脚输入过高、过低的电压，烧毁芯片。因此I/O端口不能直接外接大功率器件。输入驱动器(Inputdriver)由TTL施密特触发器构成，相当于一个开关，把I/O端口的电平状态通过触发器送入输入数据寄存器。

输出驱动器(Output driver)由选择器、输出控制、含有PMOS管和N-MOS管的推挽结构电路组成，输出控制的输出是一对互补信号，推挽结构电路由互补信号控制，工作时两个管只有一个导通，功耗低。输出数据寄存器输出高电平时，控制输出亦为高电平，此时P-MOS管导通、N-MOS管截止，I/O端口输出高电平；输出数据寄存器输出低电平时，控制输出亦为低电平，那么P-MOS管截止、N-MOS管导通，I/O端口输出低电平。I/0端口输出的状态即是输出数据寄存器的状态。

1.2 输入/输出端口的工作模式

输入工作模式有浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入4种。浮空输入时，引脚内部什么也不用接，I/O的端口状态取决于用于外部信号；上拉输入时，上拉开关闭合，将不确定的信号通过内部电阻上拉到高电平，适用于输入信号为低电平有效的情况；下拉输入时，下拉开关闭合，将不确定的信号通过内部电阻接GND，适用于输入信号为高电平有效的情况；模拟输入时，把连续的模拟信号直接引入，常用于AD转换。注意，输入模式下，输出驱动器不工作，相当于断开。

图1：可编程I/O端口电路的基本结构

图2：端口配置低寄存器的设置位

图3：重映射和调试I/O配置寄存器的设置位

输出工作模式有推挽输出、开漏输出、复用推挽输出和复用开漏输出4种。推挽输出时，可以输出高/低电平，处理的是数字信号，输出高电平时，P-MOS管导通，N-MOS管截止，I/O端口联通VDD，输出低电平时，N-MOS管导通，P-MOS管截止，I/O端口联通VSS；开漏输出时，P-MOS管是关闭状态，无法直接输出高电平，需要外接上拉电阻，输出电压由上拉电阻连接的电源决定，输出低电平时，和推挽输出一样，I/O端口联通VSS，因此开漏输出模式适用于匹配电平的工况；复用推挽输出和复用开漏输出用于其它片内外设。注意，输出模式下，输入驱动器工作，开关闭合，可读取I/O端口的状态。

2 输入/输出端口的寄存器设置

2.1 GPIO寄存器的设置

GPIO是常规输入/输出端口，STM32F103ZET6有7组16位的GPIO，通过对GPIO寄存器编程，设置每个端口的工作模式。GPIO寄存器包括端口配置低寄存器(GPIOX_CRL)、端口配置高寄存器 (GPIOX_CRH)、输入数据寄存器 (GPIOX_IDR)、输出数据寄存器(GPIOX_ODR)、端口位设置/清除寄存器(GPIOX_BSRR)、端口位清除寄存器(GPIOX_BRR)、端口配置锁定寄存器(GPIOX_LCKR)，均为32位寄存器(有的带保留位)，所有x的范围为(A～G)，A～G标识的是分组号。例如，GBIOB_CRL是B组的GPIO端口配置低寄存器，GPIOC_CRL是C组GPIO的端口配置低寄存器。

端口配置低寄存器(GPIOX_CRL)用于设置各组GPIO低8位端口的工作模式，寄存器的各设置位如图2所示，每位均可读写，每4位设置1位端口，其中低两位设置输入或输出（00表示输入模式，也是复位后的值；01表示输出模式，最大速度10MHZ；10表示输出模式，最大速度2MHZ；11表示输出模式，最大速度50MHZ），高两位设置具体工作模式（输入模式时，00表示模拟输入，01表示浮空输入，也是复位后的值，10表示上拉/下拉输入，联合设置输出数据寄存器ODR，区分上拉和下拉，11为保留；输出模式时，00表示通用推挽输出，01表示通用开漏输出，10表示复用推挽输出，11表示复用开漏输出）。例如，当设置GPIOA5为通用推挽输出模式时，GPIOA的端口配置低寄存器的内容可以设置为0x4424 4444。

端口配置高寄存器(GPIOX_CRH)用于设置各组GPIO高8位端口的工作模式，同GPIOX_CRL设置一样，不再赘述。输入数据寄存器(GPIOX_IDR)，只读属性，高16位保留，16位形式读出，读出的值为对应I/O端口的状态。输出数据寄存器(GPIOX_ODR)，读/写属性，高 16 位保留，16 位形式读/写，可以对各位清零或置1，那么对应的I/O端口便可以输出高电平或低电平。端口位设置/清除寄存器、端口位清除寄存器是用于为输出数据寄存器ODR的对应位清零或置1，不再赘述。端口配置锁定寄存器用来锁定端口位的配置，当对应的端口位锁定后，在下次系统复位之前不能再更改端口位的配置。

2.2 AFIO寄存器的设置

具有复用功能的I/O端口，其复用功能需要重新配置。例如，配置某个I/O端口为ADC的通道，这个I/O端口不能再作为GPIO使用，这个过程叫做复用重映射。复用重映射的过程是设置重映射和调试I/O配置寄存器（AFIO_MAPR），寄存器的各设置位如图3所示。

3 输入/输出端口的应用举例

利用输入/输出端口可实现一些信号控制，例如，STM32外接了按键电路和LED指示灯电路，控制要求如下：当按下S1按键时，让LED1和LED3灯闪烁，按下S2按键时LED1和LED3灯关闭；当按下S3按键时，让LED2和LED4灯闪烁，按下S4按键时LED2和LED4灯关闭。按键电路如图4所示，LED指示灯电路如图5所示。

图4 LED指示灯电路

图5：按键电路

图4中的4个LED为共阳极接法，另一端分别接了I/O端口B组的PB5口、E组的PE5口、A组的PA5和PA6，当这些端口输出低电平时，对应的LED指示灯亮，反之LED指示灯不亮。根据外接指示灯电路分析，这4个I/O端口的工作模式应设置为通用推挽输出。

图5中的4个按键开关分别接了I/O端口A组的PA0口和 E 组的 PE2、PE3、PE4口，其中 S1、S2、S3 是低电平信号有效，无信号时为高电平，而S4是高电平信号有效，无信号时为低电平。根据外接按键电路分析，这4个I/O端口的工作模式应设置为浮空输入。

LED指示灯对应I/O端口的设置（初始化）如下：

4个按键对应I/O端口的设置（初始化）如下：

以上代码中RCC、GPIOA、GPIOB、GPIOE被定义为结构体类型指针，对它们的各寄存器地址进行了描述，并且对相应的寄存器进行了设置，按照要求实现了浮空输入和通用推挽输出的设置。

4 小结

对于STM32的输入/输出端口设置，应先了解I/O端口的电路结构和工作模式，之后按使用要求对GPIO和AFIO寄存器进行合理配置，通过I/O端口使用的例子进一步掌握输入/输出端口的使用。