GPIO结构简介

关键词：GPIO 推挽 OC 

摘要：

分类： □ 机械  □软件  □控制  □其他

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日期：xxxx-xx-xx

如何在嵌入式设计中高效正确的选用GPIO是硬件工程师基本能力之一。首先我们要了解GPIO的内部结构，然后熟知其重要的内部参数。

GPIO的英文全称是General Purpose Input Output （通用输入/输出），具体一定的拉电流和灌电流能力。

图1：GPIO内部结构图

通常一个GPIO PIN脚对应两个寄存器，输入寄存器和输出寄存器。其 PIN脚的输入、输出模式需要在对应的寄存器进行配置。同时GPIO PIN脚处有内部钳位保护二极管，其作用是防止从外部管脚Pin输入的电压过高或者过低。

GPIO的几种模式  ：

输入模式

（1）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入

（4）GPIO_Mode_IPU 上拉输入

输出模式

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

（6）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

推挽输出与开漏输出的区别：

推挽输出:可以输出高、低电平; 推挽结构一般由两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止.

    图2：GPIO推挽输出模式结构示意图

开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 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).

图3：开漏输出结构示意图

开漏输出模式类似我们常说的OC、OD门，其在使用时必须外接上拉电阻，同时开漏输出模式下可以实现多PIN脚“线与”功能

在选用GPIO时我们需要注意哪些参数和性能？

1.GPIO的电源域 

在集成IC设计中，GPIO多分于几组不同的电源域进行驱动，而不同的电源域的驱动能力、管理方式、默认状态、电压匹配等等均会有所差异，在选用时需要全面考虑。

例如：设计选用GPIO来控制某模组，要求基带IC无论处于唤醒模式还是休眠模式下，该GPIO均处于默认输出高电平。该IC的GPIO有4组，分布对应电源域VDD1、VDD2、VDD3、VDD4。其中仅VDD1电源域无论唤醒模式还是休眠模式均保持供电，其他电源域休眠模式下均会关闭。所以我们只能选择在电源域VDD1下的GPIO。

针对低功耗设计时更需要注意GPIO的电源域。

2.默认状态和电压匹配

GPIO在上电时有一个默认状态，此时改GPIO状态不受控，如果选择不当会对单板的可靠性带来影响。

在原理设计上时，我们需要考虑单板在上电的瞬间，底层的软件代码还未运行时，GPIO的默认状态是否会对单板造成不稳定或者失控的可能。

如下图：本图是锂电池充电电池部分，其中Q605为充电开关PMOS管。S端为输入电源端，D端为锂电池。当G为低电平时，Q605导通，开启充电功能。

如果CHARGE_IN管脚为上电默认低电平，上电的瞬间Q605就会导通，而软件的控制逻辑可能还为正常运行，这时就会出现很多不稳定和可靠的问题。所以在GPIO的选择时其默认电平逻辑也是需要我们重点关注的。

部分IC的GPIO电压是可控的，如3.3V或者1.8V，我们在选择时注意电压匹配。

3.上下拉的选择

通用的GPIO口都有可配置的上下拉，可以根据需要进行配置。在这里我们很容易忽略内部上下拉的电阻值，特别是在配置输入状态下，如何外部的电阻选择不当会直接导致我们输入电平异常，如下图：

根据设计逻辑，PIN1的输入电源应该为3.3V/2，而我们实际测试时发现PIN 1的电压只有1.1V。这样可能我们的整个设计逻辑就会出现问题。这个问题的原因是我们忽略了GPIO内部下拉电阻的阻值。通常的GPIO的上下拉电阻在几十到几百K左右，具体需要参考datesheet.例STM32 为40K。

4.驱动能力

由于GPIO的内部结构，其驱动能力都是有限的。通用的GPIO的拉电流，灌电流在10mA左右。在选择GPIO带负载时，如LED，必须考虑其驱动电流大小。

5.复用功能

通用的芯片的GPIO多半为复用管脚，在我们使用GPIO时必须严格对照datesheet查询选用的每一个管脚配置功能，如是否支持外部中断，输入频率等信息。

-全文完-