基本结构分析
下面我们按图中的编号对 GPIO 端口的结构部件进行说明。
1. 保护二极管及上、下拉电阻
引脚的两个保护二级管可以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，防止不正常电
压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功
率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大
功率及隔离电路驱动。
2. P-MOS 管和 N-MOS 管
GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出
模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。
这个结构使 GPIO 具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。
所谓的推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入
高电平时，经过反向后，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而
在该结构中输入低电平时，经过反向后， N-MOS 管导通， P-MOS 关闭，对外输出低电平。
当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通， P 管负责灌电流， N 管负责拉电流，使其负
载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3
伏，具体参考图 8-2，它是推挽输出模式时的等效电路。
而在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 0，低电平，
则 P-MOS 管关闭， N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平)
时，则 P-MOS 管和 N-MOS 管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高
阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻，参考图 8-3 中等效电路。它具有“线与”特性，
也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由
上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引
脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平， 0 伏。
推挽输出模式一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。
在 STM32 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
开漏输出一般应用在 I2C、 SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，
还用在电平不匹配的场合，如需要输出 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻， 上
拉电源为 5 伏， 并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外
输出 5 伏的电平，具体见图 8-4。
1. 输入模式(模拟/浮空/上拉/下拉)
在输入模式时， 施密特触发器打开， 输出被禁止，可通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR
读取 I/O 状态。 其中输入模式，可设置为上拉、下拉、 浮空和模拟输入四种。 上拉和下拉
输入很好理解， 默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外
部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于 ADC 采集。
2. 输出模式(推挽/开漏)
在输出模式中， 推挽模式时双 MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器 GPIOx_ODR
可控制 I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有 N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制 I/O
输出高阻态或低电平。 输出速度可配置，有 2MHz\10MHz\50MHz 的选项。此处的输出速
度即 I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求
不严格，把速度设置成最大即可。
在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR
可读取 I/O 的实际状态。
3. 复用功能(推挽/开漏)
复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出
信号源于其它复用外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器
可获取 I/O 实际状态，但一般直接用复用外设的寄存器来获取该数据信号。