GPIO的不同输入模式是在程序中通过GPIOx_CRL和GPIOx_CRH两个寄存器进行配置的。配置寄存器的值影响的是片内电路的通断（可以理解为每个位控制1个开关），不同GPIO模式对应的是不同的片内连通状态。根据GPIO的模式，片内配置可分为四类：

1. 输入配置（Input Configuration）

输入配置包括输入浮空、输入上拉和输入下拉3种寄存器配置。片内配置原理示意图如下图所示。I/O引脚输入端上、下各有一个保护二极管，其作用是防止外部过高的电压输入对内部电路造成损坏。如果输入正电压显著高于VDD，则上方二极管导通；如果输入负电压显著低于VSS，则下方二极管导通。这样可以将输入芯片内部的电压钳制在VDD和VSS附近（约±0.7V）。

输入浮空/上拉/下拉模式芯片内部配置

说明：

  • ODR与引脚间断开。此时ODR可被CPU读写，可辅助配置寄存器，实现输入上/下拉模式配置。
  • 片内弱上/下拉功能开启。上拉时上方的开关闭合，下拉时下方的开关闭合，浮空输入时两个开关均开启。
  • Schimtt Trigger开启，在每个APB2时钟周期，信号经此TTL触发器取样，输入IDR。
  • 读取IDR可得到I/O电平状态。
  • 对可接受5V的I/O引脚，可用VDD_FT替代VDD。


2. 输出配置（Output Configuration）

通用输出推挽和开漏两种输出模式片内配置原理示意图如下图所示。

通用输出推挽/开漏模式片内配置

说明：

  • ODR与引脚连通。
  • 片内弱上/下拉功能关闭。
  • 开漏模式：输出控制器将P-MOS栅极置1，P-MOS始终不工作。ODR为1时，N-MOS导通，输出低电平；ODR为0时，N-MOS也截止，引脚处于既不是高电平也不是低电平的高阻态。可见，开漏模式只能输出低电平。
  • 推挽模式：ODR为0时P-MOS导通、N-MOS截止，输出高电平；ODR为1时，N-MOSE导通，P-MOS截止，输出低电平。推挽模式可以输出高/低电平。
  • Schmitt触发器开启，在每个APB2时钟周期，引脚电平都被取样存入IDR。
  • 读取IDR寄存器可以获得引脚当前电平状态。


3. 复用功能配置（AFIO Configuration）

STM32内部集成了众多的外设控制器，如USART、ADC等，如果原来的GPIO引脚（通过对ODR或IDR的操作输出或输入电平信号）要充当外设控制器的引脚，此时需要将引脚配置为AFIO（Alternate
Function
Input/Output）模式，即通过配置相关寄存器，将引脚与外设控制器连通。具体到某个GPIO引脚可以复用哪些功能（可接哪些外设），需要查阅芯片的《Data
Sheet》中对引脚的定义，一般在数据手册的Pinouts and pin
descriptions章节有关于引脚定义的表格。AFIO复用功能输入输出模式片内配置原理示意图如下图所示。

AFIO复用功能输入输出模式片内配置

说明：

  • ODR开启，但不是直接与引脚相连，只能被芯片内部的外设控制器访问。
  • 片内弱上/下拉功能关闭。
  • Schmitt触发器开启，在每个APB2时钟周期，引脚电平都被取样存入IDR。
  • 读取IDR寄存器可以获得引脚当前电平状态。
  • 复用输出支持推挽/开漏。
  • 主要特征：输入/输出均汇于片内外设。对大多数外设，I/O须配置为复用模式。


4. 模拟配置（Analog Configuration）

模拟配置用于ADC的输入和DAC的输出。

模拟模式片内配置

说明：

  • ODR与引脚断开。
  • 片内弱上/下拉关闭。
  • Schmitt触发器关闭。省电！
  • 这种模式下读取IDR始终返回0。

Analog模式是最省电的模式。特别是对电池供电的应用场合，建议将所有GPIO引脚初始化为Analog，然后再按需设置用到的I/O引脚的工作模式。可以在程序调用GPIO_Init()之类的函数初始化I/O之前，调用如下函数：

void GPIO_SetAllIO2Analog(void){
	GPIOA->CRL = 0x00; // Set all GPIO to Analog,
	GPIOA->CRH = 0x00; // in order to save energy.
	GPIOB->CRL = 0x00;
	GPIOB->CRH = 0x00;
	GPIOC->CRL = 0x00;
	GPIOC->CRH = 0x00;
	GPIOD->CRL = 0x00;
	GPIOD->CRH = 0x00;
	GPIOE->CRL = 0x00;
	GPIOE->CRH = 0x00;
	GPIOF->CRL = 0x00;
	GPIOF->CRH = 0x00;
	GPIOG->CRL = 0x00;
	GPIOG->CRH = 0x00;
}

注意：一定要在调用GPIO_SetAllIO2Analog()之后，再调用GPIO_Init()，执行使能时钟、初始化所需I/O端口等操作。


总结：

  • I/O端口对外虽然只是一个引脚，但每个引脚在芯片内部可能有多种连通路径。
  • 具体连通哪条路径，是通过配置寄存器（开关）开实现的。
  • I/O端口的复用和重映射都是基于这一原理。可以根据需求，通过配置寄存器，将内部外设切换到某个可选的引脚。
  • 具体到某个外设，需要设置为哪种GPIO模式，可查阅芯片的《Reference Manual》中关于GPIO和AFIO的章节。
  • 具体的某个引脚，可能的复用和重映射选项，可查阅芯片的《Data Sheet》中关于Pin definitions相关的表格。