一、GPIO信號基礎知識

GPIO(General-Purpose input/output),通用型之輸入輸出端口的簡稱，可以通過軟件控制其輸出和輸入，市面上絕大部分芯片都會提供一個"通用可編程IO接口"，即GPIO。

GPIO信號原理框圖

目前市面上使用的芯片，其內部GPIO信號電路結構都如上圖所示，其輸入保護二極管用于防止引腳外部過高正電壓、負電壓輸入，當電壓高于VDD時，上方的二極管導通，當引腳電壓低于VSS時，下方二極管導通，防止外部脈沖電壓引入損毀芯片。

TTL施密特觸發器：基本原理是當輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出未高；當輸入電壓低于負向閾值電壓，輸出為低。IO口信號經過觸發器后模擬信號轉化為0和1的數字信號，也就是高低電平，并且符合TTL電平協議。

P-MOS管和N-MOS管：信號由P-MOS管和N-MOS管，依據兩個MOS管的工作方式，使得GPIO具有"推挽輸出"和"開漏輸出模式"，P-MOS管高電平導通，低電平關閉；N-MOS管低電平導通，高電平關閉。

二、GPIO信號的8種模式：   

2.1、浮空輸入：

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據存儲器。I/O電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（無信號輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的，通常用于IIC、UART等總線設備。

2.2、上拉輸入模式：

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據存儲器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平保持在高電平（并且在I/O端口輸入為低電平的時候，輸入端的電平也是低電平）

2.3、下拉輸入模式：

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據存儲器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平保持在低電平（并且在I/O端口輸入為高電平的時候，輸入端的電平也是高電平）    

2.4、模擬輸入模式：

模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號（電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，比如ADC模塊電路。

2.5、開漏輸出模式：

在開漏輸出模式時，只有N-MOS管工作，如果控制輸出為低電平，則P-MOS管關閉，N-MOS管導通，使輸出為低電平；若控制輸出為高電平，則P-MOS管和N-MOS管都關閉，輸出指令就不會起作用，此時I/O端口的電平由外部的上拉或者下拉決定，如果沒有上拉或者下拉I/O口就處于懸空狀態。    

2.6、推挽輸出模式：

在推挽輸出模式時，N-MOS管、P-MOS管都工作，如果控制輸出為低電平，則P-MOS管關閉，N-MOS管導通，使輸出為低電平；若控制輸出為高電平，則N-MOS管關閉，N-MOS管導通，使輸出為高電平，外部的上拉或者下拉的作用是控制在沒有輸出時I/O電平。

2.7、復用開漏輸出模式：

GPIO復用為其它外設，輸出數據寄存器無效；輸出高低電平來源于其它外設，施密特觸發器打開，輸入可用，通過輸入數據存儲器可獲取I/O實際狀態，除了輸出信號的來源改變其它與開漏輸出功能相同。    

2.8、復用推挽輸出：

GPIO復用為其它外設，輸出數據寄存器無效；輸出高低電平來源于其它外設，施密特觸發器打開，輸入可用，通過輸入數據存儲器可獲取I/O實際狀態，除了輸出信號的來源改變其它與推挽輸出功能相同。