一、GPIO 功能模式分析

1.推挽输出

推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，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。推拉式输出级提高电路的负载能力。相对于开漏输出模式，推挽输出最大优势是输出高电平时，上升时间快，电压驱动能力强。

2.开漏输出

开漏端相当于 MOS 管的漏极（三极管的集电极），要得到高电平状态必须外接上拉电阻才行，因此输出高电平的驱动能力完全由外接上拉电阻决定，但是其输出低电平的驱动能力很强。开漏形式的电路有以下几个特点：

输出高电平时利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。
开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平。如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。

开漏输出提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系，即“线与”。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑 0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为 0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。

3.复用推挽和开漏

复用指的是 GPIO 切换到 CPU 内部设备（比如 SPI,I2C,UART 等电路），也就是 GPIO 不是作为普通IO 使用，是由内部设备直接驱动。推挽和开漏的特征同上。

4.四种输入模式

通过上面的引脚结构图可以得到如下三种方式

◆ 浮空输入： CPU 内部的上拉电阻、下拉电阻均断开的输入模式。

◆ 下拉输入： CPU 内部的下拉电阻使能、上拉电阻断开的输入模式。

◆ 上拉输入： CPU 内部的上拉电阻使能、下拉电阻断开的输入模式。

而模拟输入模式是 GPIO 引脚连接内部 ADC。

二、GPIO 的拉电流负载和灌电流负载能力

1.拉电流负载：

一种负载电流从驱动门流向外电路，称为拉电流负载。比如使用 STM32H7 的 GPIO 直接驱动 LED 就是拉电流形式。

2.灌电流负载：

负载电流从外电路流入驱动门，称为灌电流负载。比如下面这种形式的 LED 驱动电路

有了上面这些知识后再来看 STM32H7 的 IO 驱动能力（截图来自 STM32H7 数据手册）：

通过上面的截图可知： STM32H7 总的拉电流和灌电流不可超过 140mA，单个引脚最大不可超过 20mA

3.不使用的引脚推荐设置为模拟模式

主要从功耗和防干扰考虑。

◆ 所有用作带上拉电阻输入的 I/O 都会在引脚外部保持为低时产生电流消耗。此电流消耗的值可通过使

用的静态特性中给出的上拉 / 下拉电阻值简单算出。

◆ 对于输出引脚，还必须考虑任何外部下拉电阻或外部负载以估计电流消耗。

◆ 若外部施加了中间电平，则额外的 I/O 电流消耗是因为配置为输入的 I/O。此电流消耗是由用于区分输入值的输入施密特触发器电路导致。除非应用需要此特定配置，否则可通过将这些 I/O 配置为模拟模式以避免此供电电流消耗。 ADC 输入引脚应配置为模拟输入就是这种情况。

◆ 任何浮空的输入引脚都可能由于外部电磁噪声，成为中间电平或意外切换。为防止浮空引脚相关的电流消耗，它们必须配置为模拟模式，或内部强制为确定的数字值。这可通过使用上拉 / 下拉电阻或将引脚配置为输出模式做到。

综上考虑，不使用的引脚设置为模拟模式，悬空即可

三、GPIO 的 HAL 库 API

1.HAL_GPIO_Init

函数原型：

/**
  * @brief  初始化指定的 GPIO 引脚
  * @param  GPIOx: 指向 GPIO 外设结构体的指针，如 GPIOA, GPIOB 等
  * @param  GPIO_Init: 指向 GPIO_InitTypeDef 结构体的指针，包含引脚配置信息
  * @retval 无
  */
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
    /* 局部变量定义：position用于循环遍历引脚，iocurrent/ioposition用于匹配目标引脚 */
    uint32_t position = 0U;
    uint32_t iocurrent = 0U;
    uint32_t ioposition = 0U;
    
    /* 省略的其他初始化代码 */
    
    /* 配置 GPIO 引脚，采用 16 个引脚的循环检测模式 */
    for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++)
    {
        /* 省略的引脚位置计算/匹配代码 */
        
        /* 判断当前循环的引脚是否为需要配置的目标引脚 */
        if(iocurrent == ioposition)
        {
            /* --------------------- GPIO 模式配置 ------------------------ */
            /* 省略的 GPIO 模式（输入/输出/复用/模拟）配置代码 */
            
            /* --------------------- EXTI 模式配置 ------------------------ */
            /* 省略的外部中断（EXTI）模式配置代码 */
        }
    }
}

函数描述：

此函数用于初始化 GPIO，此函数主要实现如下功能：

GPIO 功能配置。设置 EXTI 功能。

函数参数：

第 1 个参数用于填写使用的端口号，可以是：

#define GPIOA               ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB               ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC               ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD               ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE               ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)  
#define GPIOF               ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)  
#define GPIOG               ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define GPIOH               ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)
#define GPIOI               ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)
#define GPIOJ               ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE)
#define GPIOK               ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)

第 2 个形参是 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体变量，这个变量比较重要，要熟练掌握，定义如下：

/**
  * @brief  GPIO 初始化结构体定义
  * @note   该结构体用于配置 GPIO 引脚的模式、速度、上拉下拉、输出类型等参数
  */
typedef struct
{
  uint32_t Pin;       /* 要配置的 GPIO 引脚号，可单个或多个引脚（通过按位或组合） */
  uint32_t Mode;      /* GPIO 工作模式（输入/输出/复用/模拟/中断等） */
  uint32_t Pull;      /* 上拉/下拉电阻配置（无/上拉/下拉） */
  uint32_t Speed;     /* GPIO 输出速度（低速/中速/高速/超高速） */
  uint32_t Alternate; /* 复用功能映射（仅复用模式下有效） */
} GPIO_InitTypeDef;

下面将结构体每个成员做个说明：

成员 Pin 用于配置选择的引脚，范围 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15，额外还可以选择

GPIO_PIN_All 和 GPIO_PIN_MASK。

成员 Mode 可以选择：

GPIO_MODE_INPUT /* 输入模式 */
GPIO_MODE_OUTPUT_PP /* 推挽输出 */
GPIO_MODE_OUTPUT_OD /* 开漏输出 */
GPIO_MODE_AF_PP /* 复用推挽 */
GPIO_MODE_AF_OD /* 复用开漏 */
GPIO_MODE_ANALOG /* 模拟模式 */
GPIO_MODE_IT_RISING /* 外部中断，上升沿触发检测 */
GPIO_MODE_IT_FALLING /* 外部中断，下降沿触发检测 */
GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING /* 外部中断，双沿触发检测 */
GPIO_MODE_EVT_RISING /* 外部事件模式，上升沿触发检测 */
GPIO_MODE_EVT_FALLING /* 外部事件模式，下降沿触发检测 */
GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING /* 外部事件模式，双沿触发检测 */

成员 Pull 用于配置上拉下拉电阻:

GPIO_NOPULL /* 无上拉和下拉电阻 */  
GPIO_PULLUP /* 带上拉电阻 */  
GPIO_PULLDOWN /* 带下拉电阻 */

成员 Speed 用于配置 GPIO 速度等级，有下面四种可选：

GPIO_SPEED_FREQ_LOW /* 低速 */
GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM /* 中等速度 */
GPIO_SPEED_FREQ_HIGH /* 快速 */
GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH /* 高速 */

成员 Alternate 用于配置引脚复用，可选择的复用方式在文件 stm32h7xx_hal_gpio_ex.h 里面进行了定义，比如串口复用：

GPIO_AF7_USART1 
GPIO_AF7_USART2
GPIO_AF7_USART3 
GPIO_AF7_USART6 
GPIO_AF7_UART7

2.HAL_GPIO_DeInit

函数原型：

/**
  * @brief  将指定的 GPIO 引脚恢复到默认（复位）状态
  * @param  GPIOx: 指向 GPIO 外设结构体的指针 (GPIOA/GPIOB/...)
  * @param  GPIO_Pin: 要复位的引脚（如 GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_ALL 等）
  * @retval 无
  */
void HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
{
    uint32_t position = 0U;    // 循环变量：遍历0~15号引脚
    uint32_t iocurrent = 0U;   // 当前检测的引脚位
    uint32_t ioposition = 0U;  // 目标复位的引脚位（由GPIO_Pin确定）
    
    // 遍历所有16个GPIO引脚（GPIO_NUMBER=16）
    for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++)
    {
        /* 省略：计算iocurrent/ioposition，匹配需要复位的引脚 */
        
        // 找到目标引脚，执行复位配置
        if(iocurrent == ioposition)
        {
            /*------------------------- GPIO 模式复位配置 --------------------*/
            // 1. 配置为模拟模式（复位默认状态）
            // MODER寄存器：每个引脚占2位，00=输入 01=输出 10=复用 11=模拟
            GPIOx->MODER |= (GPIO_MODER_MODER0 << (position * 2));
            
            // 2. 复用功能复位为AF0（通用IO，无复用）
            // AFR[0]对应引脚0~7，AFR[1]对应引脚8~15；每个引脚占4位，AF0=0000
            GPIOx->AFR[position >> 3] &= ~((uint32_t)0xF << ((uint32_t)(position & (uint32_t)0x07) * 4)) ;
            
            // 3. 输出速度复位为最低速
            // OSPEEDR寄存器：每个引脚占2位，00=低速 01=中速 10=快速 11=高速
            GPIOx->OSPEEDR &= ~(GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR0 << (position * 2));
            
            // 4. 输出类型复位为推挽（模拟模式下无影响，仅复位寄存器）
            // OTYPER寄存器：每个引脚占1位，0=推挽 1=开漏
            GPIOx->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT_0 << position) ;
            
            // 5. 上下拉电阻复位为“无”
            // PUPDR寄存器：每个引脚占2位，00=无 01=上拉 10=下拉 11=保留
            GPIOx->PUPDR &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR0 << (position * 2));
            
            /*------------------------- EXTI 模式复位配置 --------------------*/
            // 省略：复位外部中断/事件相关配置（如EXTI寄存器清零）
        }
    }
}

函数描述：

此函数用于复位 IO 到初始化状态，具体状态看函数原型中的注释即可。

函数参数：

第 1 个参数用于填写使用的端口号，可以是：

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)  
#define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)  
#define GPIOI ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)  
#define GPIOJ ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE)  
#define GPIOK ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)

第 2 个参数是配置选择的引脚，范围 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。

使用举例： 此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

3.HAL_GPIO_ReadPin

函数原型：

/**
  * @brief  读取指定 GPIO 引脚的电平状态
  * @param  GPIOx: 指向 GPIO 外设结构体的指针 (GPIOA/GPIOB/.../GPIOK)
  * @param  GPIO_Pin: 要读取的引脚号（如 GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_1 等）
  * @retval GPIO_PinState: 引脚状态（GPIO_PIN_SET=高电平 / GPIO_PIN_RESET=低电平）
  */
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    GPIO_PinState bitstatus;  // 定义变量存储引脚状态
    
    /* 1. 参数合法性检查（断言）：确保传入的引脚号有效 */
    assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
    
    /* 2. 读取IDR寄存器，判断引脚电平 */
    // IDR：GPIO输入数据寄存器，每一位对应一个引脚的电平（1=高，0=低）
    if((GPIOx->IDR & GPIO_Pin) != (uint32_t)GPIO_PIN_RESET)
    {
        bitstatus = GPIO_PIN_SET;    // 引脚为高电平
    }
    else
    {
        bitstatus = GPIO_PIN_RESET;  // 引脚为低电平
    }
    
    /* 3. 返回引脚状态 */
    return bitstatus;
}

函数描述：

此函数用于读取引脚状态，通过 GPIO 的 IDR 寄存器读取。

函数参数：

第 1 个参数用于填写使用的端口号，从 GPIOA 到 GPIOK。

第 2 个参数是配置选择的引脚，范围 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

4.HAL_GPIO_WritePin

函数原型：

/**
  * @brief  设置指定 GPIO 引脚的输出电平
  * @param  GPIOx: 指向 GPIO 外设结构体的指针 (GPIOA/GPIOB/.../GPIOK)
  * @param  GPIO_Pin: 要设置的引脚号（如 GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_1 等）
  * @param  PinState: 要设置的电平状态（GPIO_PIN_SET=高电平 / GPIO_PIN_RESET=低电平）
  * @retval 无
  */
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
{
    /* 1. 参数合法性检查（断言） */
    assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));       // 检查引脚号是否有效
    assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState));// 检查电平状态是否合法

    /* 2. 根据目标电平，操作BSRR寄存器设置引脚状态 */
    if(PinState != GPIO_PIN_RESET)
    {
        // 设置引脚为高电平：向BSRRL（置位寄存器）写入引脚号
        GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin;
    }
    else
    {
        // 设置引脚为低电平：向BSRRH（复位寄存器）写入引脚号
        GPIOx->BSRRH = GPIO_Pin;
    }
}

函数描述：

此函数用于设置引脚输出高电平或者低电平。使用 GPIO 的 BSRR 寄存器进行设置，使用这个寄存器的好处是支持原子操作，由硬件支持的。原子操作的含义是操作过程不会被中断打断，而我们使用 GPIO 中另一个设置输出的寄存 ODR 是会被中断打断的。

函数参数：

第 1 个参数用于填写使用的端口号，从 GPIOA 到 GPIAK。

第 2 个参数是配置选择的引脚，范围 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。

第 3 个参数用于设置引脚输出高电平还是低电平， GPIO_PIN_RESET 表示低电平， GPIO_PIN_SET

表示高电平。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

5.HAL_GPIO_TogglePin

函数原型：

/**
  * @brief  翻转指定 GPIO 引脚的输出电平（高→低 / 低→高）
  * @param  GPIOx: 指向 GPIO 外设结构体的指针 (GPIOA/GPIOB/.../GPIOK)
  * @param  GPIO_Pin: 要翻转的引脚号（如 GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_1 等）
  * @retval 无
  */
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    /* 参数合法性检查（断言）：确保传入的引脚号有效 */
    assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

    /* 核心操作：异或ODR寄存器，翻转目标引脚的电平 */
    GPIOx->ODR ^= GPIO_Pin;
}

函数描述：

此函数用于设置引脚的电平翻转，使用 GPIO 的 ODR 寄存器进行设置。

函数参数：

第 1 个参数用于填写使用的端口号，从 GPIOA 到 GPIAK。

第 2 个参数是配置选择的引脚，范围 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

6. HAL_GPIO_LockPin

函数原型：

/**
  * @brief  锁定指定 GPIO 引脚的配置（锁定后无法修改，仅复位可解锁）
  * @param  GPIOx: 指向 GPIO 外设结构体的指针 (GPIOA/GPIOB/.../GPIOK)
  * @param  GPIO_Pin: 要锁定的引脚号（如 GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_1 等）
  * @retval HAL_StatusTypeDef: 操作状态（HAL_OK=锁定成功 / HAL_ERROR=锁定失败）
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    __IO uint32_t tmp = GPIO_LCKR_LCKK;  // 初始化tmp，包含LCKK锁定键位（bit16）
    uint32_t status = HAL_ERROR;         // 默认状态为锁定失败

    /* 参数合法性检查 */
    assert_param(IS_GPIO_LOCK_INSTANCE(GPIOx));  // 检查GPIOx是否有效
    assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));         // 检查引脚号是否有效

    /* ------------------- 执行 GPIO 锁定的特殊写入时序 ------------------- */
    // 1. 组合锁定键（LCKK）和要锁定的引脚
    tmp |= GPIO_Pin;

    // 2. 第一步写：设置 LCKK='1' + 要锁定的引脚位
    GPIOx->LCKR = tmp;

    // 3. 第二步写：复位 LCKK='0'，仅保留要锁定的引脚位
    GPIOx->LCKR = GPIO_Pin;

    // 4. 第三步写：再次设置 LCKK='1' + 要锁定的引脚位
    GPIOx->LCKR = tmp;

    // 5. 读取LCKR寄存器，完成锁定时序（读操作是时序的一部分）
    tmp = GPIOx->LCKR;

    /* ------------------- 检查锁定是否成功 ------------------- */
    // 若LCKK位仍为1，说明锁定成功；否则失败
    if((GPIOx->LCKR & GPIO_LCKR_LCKK) != RESET)
    {
        status = HAL_OK;
    }

    return status;
}

函数描述：

此函数用于锁住 GPIO 引脚所涉及到的寄存器，这些寄存器包括 GPIOx_MODER， GPIOx_OTYPER， GPIOx_OSPEEDR， GPIOx_PUPDR， GPIOx_AFRL 和 GPIOx_AFRH。

函数参数：

第 1 个参数用于填写使用的端口号，从 GPIOA 到 GPIAK。

第 2 个参数是配置选择的引脚，范围 GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。

注意事项：

此函数是锁住用户设置的引脚所对应的寄存器某些位，并不是把整个寄存器都锁住了。
一旦锁住后，就不能再修改，只有复位后才可以重新配置。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

节点连接中

GPIO专题

一、GPIO 功能模式分析

1.推挽输出

2.开漏输出

3.复用推挽和开漏

4.四种输入模式

二、GPIO 的拉电流负载和灌电流负载能力

1.拉电流负载：

2.灌电流负载：

3.不使用的引脚推荐设置为模拟模式

三、GPIO 的 HAL 库 API

1.HAL_GPIO_Init

2.HAL_GPIO_DeInit

3.HAL_GPIO_ReadPin

4.HAL_GPIO_WritePin

5.HAL_GPIO_TogglePin

6. HAL_GPIO_LockPin

GPIO专题