在 STM32 系列微控制器的应用中，GPIO（通用输入 / 输出端口）是极为重要的组成部分，它为微控制器与外部硬件之间搭建了沟通的桥梁。下面我们就对 STM32 中 GPIO 的工作原理展开详细的探讨。
　　STM32 的 GPIO 介绍
　　GPIO 是通用输入 / 输出端口的简称，是 STM32 可控制的引脚。这些引脚与外部硬件设备相连接，能够实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。以 STM32F103ZET6 芯片为例，它是一款 144 脚的芯片，包含 7 个通用目的的输入 / 输出口（GPIO）组，分别为 GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG。并且，每组 GPIO 口组都有 16 个 GPIO 口，通常简略称为 PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中 x 为 0 - 15。需要注意的是，STM32 的大部分引脚除了可以当作 GPIO 使用之外，还能够复用为外设功能引脚，比如串口等，这部分内容在【STM32】STM32 端口复用和重映射（AFIO 辅助功能时钟）中有详细介绍。
　　GPIO 基本结构
　　每个 GPIO 内部都有一个特定的电路结构，下面我们来对其进行具体分析。
　　电路图分析
　　保护二极管：IO 引脚上下两边各有一个二极管，它们的作用是防止引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚电压高于 VDD 时，上方的二极管导通；当引脚电压低于 VSS 时，下方的二极管导通，以此来防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。不过，尽管有保护二极管，也不能直接外接大功率器件，必须添加大功率及隔离电路驱动，以防止烧坏芯片或者使外接器件无法正常工作。
　　P - MOS 管和 N - MOS 管：由 P - MOS 管和 N - MOS 管组成的单元电路，使得 GPIO 具有 “推挽输出” 和 “开漏输出” 两种模式。后续我们会对这个电路进行详细分析。
　　TTL 肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号会转化为 0 和 1 的数字信号。但是，当 GPIO 引脚作为 ADC 采集电压的输入通道时，会使用其 “模拟输入” 功能，此时信号不再经过触发器进行 TTL 电平转换，因为 ADC 外设要采集到的是原始的模拟信号。需要留意的是，在查看《STM32 中文参考手册 V10》中的 GPIO 的表格时，会看到有 “FT” 一列，这代表着这个 GPIO 口兼容 3.3V 和 5V；如果没有标注 “FT”，则代表着不兼容 5V。
　　　STM32 的 GPIO 工作方式
　　GPIO 支持 4 种输入模式（浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入）和 4 种输出模式（开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出）。同时，GPIO 还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。每个 I/O 口可以自由编程，但 I/O 口寄存器必须按 32 位字被访问。其具体模式及描述如下表所示：
　　No.GPIO ModeDescription
　　1GPIO_Mode_AIN模拟输入
　　2GPIO_Mode_IN_FLOATING浮空输入
　　3GPIO_Mode_IPD下拉输入
　　4GPIO_Mode_IPU上拉输入
　　5GPIO_Mode_Out_OD开漏输出
　　6GPIO_Mode_Out_PP推挽输出
　　7GPIO_Mode_AF_OD复用开漏输出
　　8GPIO_Mode_AF_PP复用推挽输出
　　GPIO 的八种工作方式
　　浮空输入模式：在浮空输入模式下，I/O 端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O 的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。这种模式常用于对外部信号进行简单的检测，但需要注意外部干扰的影响。
　　上拉输入模式：此模式下，I/O 端口的电平信号同样直接进入输入数据寄存器。不过，在 I/O 端口悬空（无信号输入）时，输入端的电平可以保持在高电平；并且在 I/O 端口输入为低电平时，输入端的电平也还是低电平。这使得在没有外部信号输入时，端口能保持一个确定的高电平状态，增强了电路的稳定性。
　　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寄存器。当 I/O 端口悬空（无信号输入）时，输入端的电平可以保持在低电平；并且在 I/O 端口输入为高电平时，输入端的电平也还是高电平。与上拉输入模式类似，它能在无外部信号时使端口保持低电平状态。
　　模拟输入模式：在模拟输入模式下，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 模块等。这种模式用于采集外部模拟信号，为后续的数字处理提供原始的数据。
　　开漏输出模式：在开漏输出模式下，通过设置位设置 / 清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经 N - MOS 管，最终输出到 I/O 端口。这里要特别注意 N - MOS 管的状态，当设置输出的值为高电平时，N - MOS 管处于关闭状态，此时 I/O 端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由 I/O 端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平时，N - MOS 管处于开启状态，此时 I/O 端口的电平就是低电平。同时，I/O 端口的电平也可以通过输入电路进行读取，但需要注意的是，I/O 端口的电平不一定是输出的电平。
　　开漏复用输出模式：开漏复用输出模式与开漏输出模式非常相似，只是输出的高低电平的来源不是让 CPU 直接写输出数据寄存器，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。这种模式常用于需要与其他外设进行信号交互的场景。
　　推挽输出模式：在推挽输出模式下，通过设置位设置 / 清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经 P - MOS 管和 N - MOS 管，最终输出到 I/O 端口。当设置输出的值为高电平时，P - MOS 管处于开启状态，N - MOS 管处于关闭状态，此时 I/O 端口的电平就由 P - MOS 管决定，为高电平；当设置输出的值为低电平时，P - MOS 管处于关闭状态，N - MOS 管处于开启状态，此时 I/O 端口的电平就由 N - MOS 管决定，为低电平。同时，I/O 端口的电平也可以通过输入电路进行读取，并且此时 I/O 端口的电平一定是输出的电平。
　　推挽复用输出模式：推挽复用输出模式与推挽输出模式类似，输出的高低电平的来源不是让 CPU 直接写输出数据寄存器，而是利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。这种模式常用于需要利用片上外设功能进行信号输出的情况。
　　什么是推挽结构和推挽电路
　　推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或 MOS 管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管或 MOS 管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。推挽电路则是由两个参数相同的三极管或 MOSFET 以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高了电路的负载能力，又提高了开关速度。
　　开漏输出和推挽输出的区别
　　开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般 20ma 以内）。
　　推挽输出：可以输出强高、低电平，连接数字器件。
　　关于推挽输出和开漏输出，用一幅简单的图形可以更好地进行概括：图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的 PNP 三极管截止，而上面 NPN 三极管导通，输出电平 VS +；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP 三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。
　　　STM32 中的 I/O 模式
　　No.GPIO ModeDescription应用举例
　　1_IN_FLOATING浮空输入可以做 KEY 识别，RX1
　　2_IPU带上拉输入IO 内部上拉电阻输入
　　3_IPD带下拉输入IO 内部下拉电阻输入
　　4_AIN模拟输入应用 ADC 模拟输入，或者低功耗下省电
　　5_OUT_OD开漏输出IO 输出 0 接 GND，IO 输出 1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为 1 时，IO 口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样 IO 口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读 IO 输入电平变化，实现 C51 的 IO 双向功能
　　6_OUT_PP推挽输出IO 输出 0 - 接 GND， IO 输出 1 - 接 VCC，读输入值是未知的
　　7_AF_PP复用功能的推挽输出片内外设功能（I2C 的 SCL、SDA）
　　8_AF_OD复用功能的開漏输出片内外设功能（TX1、MOSI、MISO.