GPIO

任何芯片在運行時都要和外部通信，GPIO就是芯片CPU和芯片外部的接口，是由芯片內部寄存器控制的一組可編程的外部引腳接口。

從物理層面來說，GPIO 引腳是芯片封裝上的金屬引腳（或焊盤），直接連接到外部電路。每個引腳內部連著一個可配置的電路單元（輸入緩沖器、輸出驅動器、上拉/下拉電阻等）。這些電路單元的工作模式由 內部寄存器控制。

從寄存器層面來說，芯片內部有一組GPIO控制寄存器，例如：
方向寄存器（DIR/DDR）：配置輸入還是輸出
數據輸出寄存器（ODR）：輸出高/低電平
數據輸入寄存器（IDR）：讀取引腳電平
功能復用寄存器（AFR/MUX）：選擇是普通 GPIO 還是外設功能（UART、SPI 等）
上拉/下拉控制寄存器（PUPDR）：配置內部上拉/下拉
CPU 修改這些寄存器，就能間接控制引腳的電氣行為。

CPU通過寄存器告訴GPIO電路“這個腳是輸出還是輸入、輸出高還是低”，GPIO電路按指令驅動封裝引腳（或讀取它的狀態）。外部電路通過物理連接與芯片交互。

上圖的I/O引腳就是芯片引腳，其他部分是GPIO的內部結構。

保護二極管
保護二極管用于保護引腳外部過高或過低的電壓輸入。當引腳輸入電壓高于VDD 時，上面的二極管導通，當引腳輸入電壓低于 VSS 時，下面的二極管導通，從而使輸入芯片內部的電壓穩定。這樣的保護很有限，大電壓大電流接入很容易燒壞芯片。在實際的設計中要考慮設計引腳的保護電路。

上拉、下拉電阻
阻值大概在30~50K歐之間，可以通過上、下兩個對應的開關控制。當沒有外部的上、下拉電壓，引腳的電平由引腳內部上、下拉決定。開啟內部上拉電阻工作，引腳電平為高；開啟內部下拉電阻工作，則引腳電平為低。
如果內部上、下拉電阻都不開啟，這種情況就是浮空模式。浮空模式下，引腳的電平是不確定的，引腳的電平可以由外部的上、下拉電平決定。

施密特觸發器（Schmitt Trigger）
把輸入信號“整形”，產生滯回效應，抑制噪聲和毛刺。特別適合處理慢變化或帶抖動的信號（比如機械按鍵、模擬傳感器輸出）。
輸入有兩個閾值：上閾值 Vth+、下閾值 Vth?。當輸入電壓上升到 Vth+ 才切換到高電平；下降到 Vth? 才切換到低電平。中間的小波動不會引起輸出反復跳變。

P-MOS管和N-MOS管
這個結構控制GPIO的開漏輸出和推挽輸出兩種模式。
開漏輸出：輸出端相當于三極管的集電極，要得到高電平狀態需要上拉電阻。
推挽輸出：兩只對稱的MOS管每次只有一只導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載拉電流。推拉式輸出既能提高電路的負載能力，又能提高開關速度。

GPIO 有八種工作模式，四種輸入和四種輸出：
1、輸入浮空
上拉/下拉電阻斷開，施密特觸發器打開，輸出被禁止。IO口的電平完全由外部電路決定。如果IO引腳沒有連接其他的設備，那么檢測其輸入電平是不確定的。該模式可以用于按鍵檢測等情景。

上拉/下拉輸入是給輸入端加一個弱電阻，保證沒有外部信號時，輸入信號不會漂浮。
2、輸入上拉
上拉電阻導通，施密特觸發器打開，輸出被禁止。 當外部沒有信號時，輸入電平被拉到高電平（邏輯 1）。如果外部拉低（比如開關接地），電阻限制電流，輸入變低（邏輯 0）。常用于按鈕、開關輸入。

3、輸入下拉
下拉電阻導通，施密特觸發器打開，輸出被禁止。當外部沒有信號時，輸入端被拉到低電平（邏輯 0）。如果外部拉高（接 VDD），輸入變高（邏輯 1）。常用于需要默認低電平的開關輸入。

4、模擬輸入
上下拉電阻斷開，施密特觸發器關閉，雙MOS管也關閉。其他外設可以通過模擬通道輸入輸出。 該模式下需要用到芯片內部的模擬電路單元單元，用于ADC、DAC、MCO這類操作模擬信號的外設。

5、開漏輸出（Open-Drain）
GPIO內部只保留下拉晶體管（N型MOSFET）。晶體管導通，拉到GND時，輸出低電平；晶體管斷開，輸出懸空，此時外部連接一個上拉電阻到VDD，才能得到高電平。開漏輸出模式下可以讀取IO引腳狀態。適合總線型或多設備共用場景。

常見用途：
I2C 總線，SDA/SCL都是開漏輸出，多個設備可共享一條總線；高電平由上拉電阻生成，低電平由任意設備拉低
中斷/信號線，MCU給外部設備一個信號，但不確定外部電壓，開漏可安全連接不同電壓域
外部驅動器接口，驅動LED、繼電器等外部器件，確保不會短路

6、推挽輸出（Push-Pull Output）
P型和N型晶體管同時驅動，輸出高電平時P型導通，拉到VDD；輸出低電平時N型導通，拉到GND。

常見用途：
普通數字輸出，控制MCU內部或外部邏輯電平，如點亮LED、驅動蜂鳴器等
PWM 輸出，用于電機控制、燈光調光等
高速信號輸出，MCU 內部通信或外設時序信號
直接控制低功耗負載，直接拉高/拉低電壓，無需外部上拉電阻

7、開漏式復用功能、推挽式復用功能
普通GPIO輸出由CPU寫寄存器直接控制引腳高低，復用功能輸出由外設模塊（例如 UART_DR、I2C_DR）控制，CPU 只能間接干預（或者配置外設寄存器）。
每個復用功能可以設置為推挽輸出（Push-Pull）或開漏輸出（Open-Drain）。