STM32 GPIO 8种工作模式深入详解

模式配置：INPUT + No pull-up/pull-down
电路特点：引脚完全浮空，外部无驱动时为高阻态
应用场景：
  - 外部已有确定上/下拉电路
  - 通信协议如I2C（配合开漏输出）
注意事项：悬空时易受干扰，功耗可能增加

模式配置：INPUT + Pull-up enabled
内部结构：40kΩ左右上拉电阻到VDD
典型应用：
  - 按键检测（按键接地）
  - 默认需要高电平的输入
特点：无外部信号时保持高电平，节省外部元件

模式配置：INPUT + Pull-down enabled  
内部结构：40kΩ左右下拉电阻到GND
典型应用：
  - 按键检测（按键接VCC）
  - 默认需要低电平的输入
特点：无外部信号时保持低电平

模式配置：ANALOG MODE
特点：
  - 施密特触发器关闭（无数字滤波）
  - 上下拉电阻断开
  - 输入到ADC/DAC等模拟外设
应用：ADC采样、DAC输出、模拟比较器
注意：此模式下读IDR为0

模式配置：OUTPUT + Push-pull
输出结构：
  PMOS（上管） | NMOS（下管）
  输出1：PMOS导通，NMOS截止 → 输出VDD
  输出0：PMOS截止，NMOS导通 → 输出GND
特点：
  - 强驱动能力（可输出/吸入电流）
  - 电平确定，抗干扰好
应用：LED控制、驱动数字器件、高速信号

模式配置：OUTPUT + Open-drain
输出结构：
  仅NMOS（下管），无上拉PMOS
  输出1：NMOS截止 → 高阻态（需外部上拉）
  输出0：NMOS导通 → 输出GND
特点：
  - 可实现"线与"功能
  - 可输出高于VDD的电压（需外部上拉）
  - 驱动能力较弱（上升沿靠外部上拉）
典型应用：
  - I2C、SMBUS等通信总线
  - 5V兼容电路
  - 多设备共享总线

模式配置：ALTERNATE FUNCTION + Push-pull
特点：GPIO由片上外设控制（如SPI、USART、TIM）
应用：
  - SPI SCK/MOSI（需要强驱动）
  - USART TX
  - PWM输出
注意：输出信号由外设自动产生

模式配置：ALTERNATE FUNCTION + Open-drain
特点：GPIO由外设控制，开漏输出
典型应用：
  - I2C SDA/SCL（必须用开漏）
  - CAN总线
  - 多主机通信系统

typedef enum {
  GPIO_SPEED_FREQ_LOW     = 0,  // 2-10MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM  = 1,  // 10-50MHz  
  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH    = 2,  // 50-100MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH = 3 // 100MHz+
} GPIOSpeed_TypeDef;

// 1. 推挽输出配置（LED）
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;      // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 无上下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;     // 低速
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

// 2. 输入上拉配置（按键）
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;          // 输入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;              // 上拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 3. 复用开漏（I2C）
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;          // 复用开漏
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;              // 内部上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;       // 复用功能选择
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 4. 模拟输入（ADC）
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;         // 模拟模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              // 无上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 使用BSRR实现原子操作（无需读-改-写）
GPIOA->BSRR = GPIO_PIN_5;      // 置位PA5（输出1）
GPIOA->BSRR = GPIO_PIN_5 << 16; // 复位PA5（输出0）

// 同时设置多个引脚
GPIOA->BSRR = (1<<5) | (1<<7) | ((1<<6)<<16);

// 防止配置被意外修改
GPIOA->LCKR = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;  // 要锁定的引脚
GPIOA->LCKR = (1<<16) | GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;  // 设置LOCK键
GPIOA->LCKR = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;           // 再次写入
GPIOA->LCKR = (1<<16) | GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;  // 确认锁定
// 读取LCKR[16]=1表示锁定成功