GPIO（英语：General-purpose input/output），通用型之输入输出的简称，功能类似8051的P0—P3，其接脚可以供使用者由程控自由使用，PIN脚依现实考量可作为通用输入（GPI）或通用输出（GPO）或通用输入与输出（GPIO），如：clk generator, chip select等。
既然一个引脚可以用于输入、输出或其他特殊功能，那么一定有寄存器用来选择这些功能。对于输入，一定可以通过读取某个寄存器来确定引脚电位的高低；对于输出，一定可以通过写入某个寄存器来让这个引脚输出高电位或者低电位；对于其他特殊功能，则有另外的寄存器来控制它们。
GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入/输出）是一种灵活的接口，用于与各种外部设备进行通信。它广泛应用于微控制器、单板计算机（如Raspberry Pi）和嵌入式系统中。以下是GPIO工作原理的详细解释：
1. 引脚配置GPIO引脚可以配置为输入或输出模式。不同模式下，GPIO引脚的行为不同：
输入模式（Input Mode）： GPIO引脚用于接收外部信号，例如读取按钮状态或传感器数据。
输出模式（Output Mode）： GPIO引脚用于发送信号控制外部设备，例如点亮LED或驱动马达。
2. 电平状态GPIO引脚可以设置或读取两种电平状态：
高电平（High Level）： 一般对应于逻辑1，电压通常是设备的工作电压（如3.3V或5V）。
低电平（Low Level）： 一般对应于逻辑0，电压接近于0V。
3. 输入引脚输入引脚可以检测外部电平状态，并将该状态传递给微控制器。常见的操作包括：
读取引脚状态： 通过代码读取引脚的电平状态（高或低）。
上拉/下拉电阻： 为了确保引脚在未连接外部设备时有确定的电平状态，可以启用内部上拉或下拉电阻。上拉电阻将引脚电压拉高到高电平，下拉电阻则将引脚电压拉低到低电平。
4. 输出引脚输出引脚用于驱动外部设备。常见的操作包括：
设置引脚状态： 通过代码将引脚电平设置为高或低，从而控制外部设备的工作状态。
PWM（脉宽调制）： 通过快速切换引脚的高低电平，生成模拟信号，用于控制设备的亮度、速度等。
5. 中断（Interrupts）一些GPIO引脚支持中断功能。当引脚状态发生变化时，可以触发中断，通知微控制器进行特定的处理。这在需要快速响应的应用场景中非常有用，例如按钮按下的瞬间检测。
二、STM32引脚分布图 
每个GPIO内部都有这样的一个电路结构，这个结构在本文下面会具体介绍。
保护二极管：
IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、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。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。
这个二极管，也会导致IO接口不支持热插拔。
热插拔技术详解（上）
热插拔技术详解（下）
P-MOS管和N-MOS管：
由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。
TTL肖特基触发器：
信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。
这里需要注意的是，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO兼容3.3V和5V的；如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。
STM32的GPIO工作方式
GPIO支持4种输入模式（浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入）和4种输出模式（开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出）。同时，GPIO还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）。
每个I/O口可以自由编程，但I/O口寄存器必须按32位字访问。
GPIO_Mode_AIN 模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
GPIO_Mode_IPD 下拉输入
GPIO_Mode_IPU 上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出
通常，GPIO配置涉及多个寄存器，每个寄存器都有特定的用途。常见的GPIO寄存器包括：
方向寄存器（Direction Register）：配置引脚为输入或输出。
数据寄存器（Data Register）：设置或读取引脚的电平状态。
中断使能寄存器（Interrupt Enable Register）：启用或禁用中断功能。
中断状态寄存器（Interrupt Status Register）：指示中断发生的状态。
上拉/下拉电阻配置寄存器（Pull-up/Pull-down Register）：配置上拉或下拉电阻。
STM32每组GPIO包含系列7个寄存器(7组GPIO共包含7*7=49个寄存器) 两个32位配置寄存器 GPIOx_CRL 低16位 GPIOx_CRH 高16位 两个32位数据寄存器 GPIOx_IDR 输入数据寄存器 GPIOx_ODR 输出数据寄存器 一个32位置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR 一个16位复位寄存器 GPIOx_BRR 一个32位锁定寄存器 GPIOx_LCKR 1,端口配置寄存器: STM32每组GPIO位16个IO口,每4位控制一个IO口,所以32位控制8个IO口 分为低16位:GPIOx_CRL和高16位:GPIOx_CRH共32位控制一组GPIO的16个IO口 
以GPIOA_CRL为例,配置IO口PA0 -> MODE0=00(输入模式) CNF0=10(上拉/下拉输入模式) 此种配置下到底是上拉还是下拉输入模式还需由ODR寄存器决定
在芯片设计阶段，GPIO模块通过设计特定的硬件逻辑和寄存器集合来实现。芯片工程师会使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述这些功能。下面是一些关键点：
芯片的内部设计
GPIO模块通常包括以下部分：
方向控制逻辑： 决定每个引脚是输入还是输出。
数据寄存器： 存储引脚的电平状态。
中断控制逻辑： 处理GPIO中断请求。
上拉/下拉电阻控制： 管理上拉和下拉电阻的启用与禁用。
寄存器映射硬件设计中，寄存器映射到芯片的特定地址空间。这些地址通过总线系统与CPU相连，CPU可以通过总线系统访问这些寄存器。例如，方向寄存器、数据寄存器、中断使能寄存器等，分别分配到特定的地址。
输入输出端口
clk：时钟信号。
reset：复位信号。
data_in：输入数据，控制GPIO引脚的高低电平。
direction：引脚方向控制，1为输出，0为输入。
pull_up：上拉电阻控制，1启用上拉电阻。
pull_down：下拉电阻控制，1启用下拉电阻。
data_out：输出数据，表示当前GPIO引脚的状态。
gpio_pins：GPIO引脚的实际输出。
寄存器
gpio_data：存储当前GPIO引脚的电平状态。
gpio_dir：存储每个引脚的方向配置。
gpio_pull_up：存储每个引脚的上拉电阻配置。
gpio_pull_down：存储每个引脚的下拉电阻配置。
逻辑
使用assign语句将data_out和gpio_pins连接到相应的寄存器。
gpio_pins的输出取决于引脚方向、数据、上拉电阻和下拉电阻的配置。
always块在时钟上升沿或复位信号有效时更新寄存器的值。
软件控制软件通过访问这些寄存器来控制GPIO。通常使用内存映射I/O（Memory-Mapped I/O）的方法，将硬件寄存器映射到CPU的地址空间，使得CPU可以像访问内存一样访问这些寄存器。
内存映射I/O内存映射I/O通过将寄存器地址映射到处理器的地址空间，使得寄存器可以通过普通的读写操作来访问。下面是一个例子：
在系统初始化时，硬件抽象层（HAL）或驱动程序会设置正确的寄存器地址，并确保这些地址是可访问的。例如，在嵌入式操作系统中，寄存器地址通常定义在头文件中，并在程序中直接使用。
控制逻辑
软件通过操作这些寄存器来实现对GPIO的控制。例如：
配置引脚方向： 写入方向寄存器来设置引脚为输入或输出。
设置引脚电平： 写入数据寄存器来改变引脚的电平状态。
读取引脚状态： 读取数据寄存器来获取引脚的当前电平状态。
启用中断： 写入中断使能寄存器来启用或禁用GPIO中断。
１,端口的复用： 大部分IO口可复用为外部功能引脚,参考芯片数据手册(IO口复用和重映射) 
GPIO在芯片设计中通过硬件逻辑和寄存器结合，软件通过内存映射I/O访问这些寄存器，实现对GPIO引脚的配置和控制。理解硬件寄存器和内存映射的基本原理是实现GPIO控制的关键。
参考文档：
《CSDN博客》 BraveWangDev
《GPIO口工作原理的超详细解释》孤芳剑影
