GPIO（General Port Input&Output）通用輸入輸出接口，MCU各個管腳對外交互最根本的單位。GPIO的對于嵌入式就像Hello world之于各種語言同等重要，都是打開這扇門的第一步。看過一個比較有意思的比喻：人類的技術發展其本質就是燒水，從蒸汽機燒水到現在核裝置燒水。那么同樣的MCU的各類應用，其本質就是對IO口的各種花樣電平翻轉，CAN/I2C/SPI/ETH/SDIO/USB等等外設使用的第一步都是對其對應的IO管腳進行配置。掌握GPIO的特性，大家就能say hello to the embedded world。

本篇文章是以ST CortexM系列的芯片文檔作為范例講解，主要闡述MCU是如何實現IO口的輸入輸出控制的, GPIO的一些屬性介紹等，希望大家在閱讀完本文后能夠大致知曉GPIO的特性，并對往后的開發/學習能有所幫助。

首先是IO口的類型，重點需要區分的是TTa/TC（標準3.3V IO口）與FT類型，它們最大的區別是耐受電壓分別為3.3V與5V的區別，關于這一點，一般主要是硬件工程師在IO口的選擇上需要做好區分。主要的IO描述如下圖所示：

TTa/TC類型與FT類型的構成基本一致，主要差異如下圖紅框所示

TTa/TC類型

FT類型

如上圖可見GPIO的基本框架TTa/TC/FT都是一致的，接下來我們將詳細的講解一下GPIO是如何實現輸入與輸出，什么是開漏輸出與推挽輸出，什么是管腳復用功能。

如下圖所示，我們按功能將GPIO功能框架分別標號以及標注顏色進行區分。

（1） 引腳處兩個保護二極管用以防止有過高或者過低的電壓輸入導致內部損壞，當外部電壓高于VDD_FT時，上方二極管導通；當外部電壓低于VSS時下方二級管導通。IO口的驅動能力比較弱，只能作為一些發光二極管或者驅動三極管開關控制，不可直接驅動功率設備。通常IO口的狀態有3種，PullUp（上拉）/Pulldown（下拉）/Floating（浮空），上拉即接通VDD/下拉即接通Vss，浮空的話即不處于上拉也不處于下拉，一般在初始配置時在PP和PD中選取一個較為合適。

（2） IO口進入框架后根據輸入與輸出功能分為兩部分走向，（2）部分即配置為輸出時的IO連接部分。根據P-MOS和N-MOS的控制結構，輸出模式主要可配置為推挽模式和開漏模式。

首先簡介一下推挽模式，等效電路如下所示。當IN為1的時候，P-MOS導通，N- MOS關閉，此時有VDD對外灌電流（電流較小），顯示有3.3V電壓輸出；當IN為0時，P-MOS關閉，N-MOS導通，此時表現為拉電流，將外部接入GND。這一推一拉就形象地解釋了為什么稱其為推挽模式。

開漏模式的等效電路如下圖所示，當GPIO配置為開漏模式時，P-MOS不參與工作。當IN為1的時候，P-MOS/N-MOS都不工作，此時既不輸出高電平也不輸出低電平，IO呈現出高阻態；當IN輸出0時，則N-MOS導通，使得外部接入GND。為了開漏模式下能夠正常運行，需要接入上拉電阻，雖然MCU內具有上拉電阻，但為了正常使用，需要外部電路設計，開漏模式下IO添加上拉電阻。常見的I2C/SPI一些通訊應用會將IO配置為開漏模式。

（3） 該部分的控制信號通常就是純粹的IO控制，通過修改MCU內的GPIO輸出寄存器控制GPIO的拉高拉低

（4） 復用功能輸出即控制信號時來自其他模塊，類似于充當UART- TX，CAN- TX等發送接口。

（5） 純粹的IO輸入狀態，輸入為高電平即為1，輸入低電平即為0，狀態會更新在MCU內部的GPIO輸入寄存器中.

（6） 即復用為其他模塊的輸入，類似于UART- RX，CAN- RX等

（7） 當管腳配置為模擬時，將會禁用GPIO模塊TTL施密特觸發器/P- MOS/N-MOS/上下拉電阻，此時的輸入輸出都由模擬通道來進行，輸入即是ADC/輸出即是DAC。