保护二极管及上、下拉电阻

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引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于 VDD 时， 上方的二极管导通，当引脚电压低于 VSS 时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

P-MOS 管和 N-MOS 管

GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使 GPIO 具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

所谓的推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时， 经过反向后， 上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而
在该结构中输入低电平时， 经过反向后， N-MOS 管导通， P-MOS 关闭，对外输出低电平。
当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通， P 管负责灌电流， N 管负责拉电流，使其负
载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3
伏， 具体参考图 7-2，它是推挽输出模式时的等效电路。

开漏输出的特点

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开漏端相当于 MOS 管的漏极（三极管的集电极），要得到高电平状态必须外接上拉电阻才行，因此输出高电平的驱动能力完全由外接上拉电阻决定，但是其输出低电平的驱动能力很强。开漏形式的电路有以下几个特点：
1. 输出高电平时利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。
2. 开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出
低电平。 如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉
电源的电压，便可以改变传输电平。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大，速度越
低， 功耗越小。
3. 开漏输出提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接
上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果
对延时有要求，则建议用下降沿输出。
4. 可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻
辑”关系，即“线与”。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个
引脚输出为逻辑 0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平
便为 0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。

四种输入模式

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通过上面的引脚结构图可以得到如下三种方式：

  • 浮空输入： CPU 内部的上拉电阻、下拉电阻均断开的输入模式。
  • 下拉输入： CPU 内部的下拉电阻使能、 上拉电阻断开的输入模式。
  • 上拉输入： CPU 内部的上拉电阻使能、 下拉电阻断开的输入模式。

而模拟输入模式是 GPIO 引脚连接内部 ADC。
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拉电流负载、灌电流负载

拉电流负载

一种负载电流从驱动门流向外电路， 称为拉电流负载。 比如使用 STM32H7 的 GPIO 直
接驱动 LED 就是拉电流形式。
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这里的“拉”是相对 IO 口来说的，上面的例子就是 LED 从 IO 口拉电流出来。

灌电流负载

负载电流从外电路流入驱动门， 称为灌电流负载。 比如下面这种形式的 LED 驱动电路 ：
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这里的“灌”就是指电流从外部灌入 IO 口。

IO 驱动能力

有了上面这些知识后再来看 IO 驱动能力，这里以 STM32H7 的 IO 为例（截图来自 STM32H7 数据手册） ：
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其中 sunk：灌。通过上面的截图可知：STM32H7 总的拉电流和灌电流不可超过 140mA，单个引脚最大不可超过 20mA，这个知识点， 大家要知道。

不使用的引脚推荐设置为模拟模式

主要从功耗和防干扰考虑。

  • 所有用作带上拉电阻输入的 I/O 都会在引脚外部保持为低时产生电流消耗。此电流消耗的值可通过使用的静态特性中给出的上拉 / 下拉电阻值简单算出。
  • 对于输出引脚，还必须考虑任何外部下拉电阻或外部负载以估计电流消耗。
  • 若外部施加了中间电平，则额外的 I/O 电流消耗是因为配置为输入的 I/O。此电流消耗是由用于区分输入值的输入施密特触发器电路导致。除非应用需要此特定配置，否则可通过将这些 I/O 配置为模拟模式以避免此供电电流消耗。 ADC 输入引脚应配置为模拟输入就是这种情况。
  • 任何浮空的输入引脚都可能由于外部电磁噪声，成为中间电平或意外切换。为防止浮空引脚相关的电流消耗，它们必须配置为模拟模式，或内部强制为确定的数字值。这可通过使用上拉 / 下拉电阻或将引脚配置为输出模式做到。

综上考虑，不使用的引脚设置为模拟模式， 悬空即可。

参考链接

GPIO输入输出各种模式（推挽、开漏、准双向端口）详解