前言

GPIO（General Purpose Input/Output）可以說是微控制器最基本的功能，因此第一堂當然要先教 GPIO 的使用方式。

在本文中，將會介紹 STM32 的基本輸出與輸入的設定及模式。

STM32 的 GPIO 簡介

相比於 Arduino，STM32 在使用 GPIO 時，要設定和注意的地方有很多，因此我先簡單介紹一下 STM32 的 GPIO。

首先最基本的，在設定 GPIO 時除了可以指定這個 Pin 腳是要是「General Purpose」的 Input 還是 Output 外，還有所謂的「Alternate Function（AF，復用功能）」，也可以設定是否啓用 STM32 內建的上/下拉電阻（Pull-Up/Down Resistor）。

若選擇的是 Output 的話，還要設定輸出電路組態是「Push-Pull（PP，推挽）」或「Open-Drain（OD，汲極開路）」，和設定 IO 的速度（如 2MHz）。

如果是 Input 的話則有「類比（Analog）」與「浮接（Floating）」輸入，使用浮接輸入時也常常搭配 STM32 內建的上/下拉電阻使用。

功能模式：

General Purpose（通用功能）：一般的控制模式，由使用者透過程式碼直接控制該 Pin 腳要輸出 High 還是 Low，也可以由程式碼直接讀取該 Pin 腳的值。
Alternate Function（復用功能）：使用該 Pin 腳所擁有的特殊功能（例如：UART、PWM、I2C），使用者沒辦法用程式碼直接控制該 Pin 腳的 High 或 Low，而是由指定的特殊功能來控制。

輸出電路組態：

Push-Pull（推挽）：由一對互補的電晶體組成，可以直接輸出 High 或 Low 電位。
Open-Drain（汲極開路）：FET 版的 Open-Collector。由一個 N 通道 FET 構成，只能輸出 Low（GND） 或 Open（開路）狀態，因此要外加一上拉電阻才能使其輸出的 Open 狀態變成 High，而 High 狀態的實際電壓根據上拉電阻所接的電源而定，可以高或低於 IC 本身的電壓值。擁有線接及閘（Wired AND）的特性。

輸入模式：

Analog（類比）：用於使用 ADC 讀取類比的數值時。需要分配爲 ADC Channel 的 Pin 腳上才能正常使用。
Floating（浮接）：一般的讀取模式。若不啓用 STM32 內部的上/下拉電阻，使用時外部電路應要有上/下拉電阻，否則該 Pin 腳浮空時可能無法正確讀值（或你保證它不會有浮空的情況）。

上面的內容涉及一些基本電學或電子學的知識，以上僅簡單介紹。

▲ GPIO 內部架構圖。取自 ST Wiki: GPIO internal peripheral。

剛開始使用 STM32 時可能會搞不太懂上面這些，尤其是 AF 的部分，簡單來說，「General Purpose」就是可以單純地人爲控制輸出 High/Low，而使用「Alternate Function」則會將控制 High/Low 的權利和責任交給指定的特殊功能，例如指定該 Pin 腳爲 UART-Tx，那我就沒辦法直接設定它要 High 還是 Low，因爲 UART-Tx 的 High/Low 要依據其通訊協定和資料來決定，我們只能告訴 UART 要傳送的資料是什麼，再由 UART 來依據此資料自動控制該 Pin 腳的 High/Low 以完成通訊。

而「Push-Pull」和「Open-Drain」不知道要怎麼選的話，一般都是用「Push-Pull」，因爲它可以直接輸出強高或強低，但最好還是去詳細瞭解它們的差異。

另外，STM32 並非所有 Pin 腳都可以相容/承受 5V 的電壓，有些僅能 3.3V，且每個型號每支接腳都不一樣，在接電路或購買電子零件時，請查看 Datasheet 並多加留意是否需要電平轉換。

指定 Alternate Function

對於非 F1 系列的 STM32，要使用 AF 功能時，還有知道目標功能是「AF 幾？」。

以 STM32F446RE 爲例，在其 Datasheet DS10693 中的「Table 11. Alternate function」有把各個 AF 及其功能對應好。

例如要把 PA2 及 PA3 腳當成 USART2 的 Tx 與 Rx 使用的話，要設定這兩腳要啓用的 AF 爲「AF7」。

▲ GPIO 與 AF 功能的對應表。取自 DS10693 Rev10 P.57。

小結

今天簡單說明了 STM32 GPIO 的模式，這些算是基本中的基本，只要弄清楚，未來在使用時就會輕鬆很多，明天終於要正式寫程式了。

另外，在 STM32 中，STM32F1 是一個比較特別的系列，它的一些設計及用法和其它系列不同（例如 AF 的設定、GPIO Remap），這點可以多注意一下。

p.s. 我其實一直不確定要怎麼翻譯「Alternate Function」比較貼切，只好先使用簡體圈常見的用詞。

參考資料

本文同步發表於 iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。

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