补充篇：引脚是一片电路——推挽、开漏与施密特

咱们在前几篇把软件这一头走完了：地址、时钟、配置、翻转，一直都是站在代码这边看寄存器的。但有几个问题咱们一路用着，却始终没拆到底：CNF=00 凭什么叫"推挽"？咱们的浮空输入的"浮"，到底浮在哪？还有 04 篇的那次翻车：模式没配成输出，BSRR 写了，输出驱动器却跟咱们装聋，这又是为什么？这一篇咱们就下到电路层，把这几个问题拆开了看。您把它当补充篇看，跳过去也不影响主线的连贯。不过干嵌入式这一行，想少栽跟头的话，电路的直觉迟早要补，咱们不如趁热把它补上。

GPIO 的本体不是"软件"，它是一片真实的电路。咱们写的每一行代码，干的都只是在"下令"。真正执行命令的，是引脚里的那几十个晶体管。咱们往 GPIOC->CRH = ... 里拧动四位，拧的是电路的挡位。

引脚的解剖图

咱们把一个 GPIO 引脚扒开看，里面有这么几样东西（RM0008 第 9 章的框图翻译版，RM0008 就是 ST 的 STM32F1 参考手册，01 篇咱们翻过的）：

咱们从外往里看。最外圈的是一对保护二极管，把引脚电压牢牢地钳在 VDD+0.3V 和 VSS-0.3V 之间。而静电和浪涌一来，头一个碰到的就是它们。咱们再往里走，是一对约 40kΩ 的弱上下拉电阻，接还是不接由软件说了算。更里面的输入路径上站着施密特触发器，负责把引脚上的连续电压判成 0 或 1。输出路径的那一头，站的就是输出驱动器，也就是两只 MOS 管组成的跷跷板。输入和输出其实并联在同一个引脚上，哪条路上岗由 CNF/MODE 四位说了算。

输出侧：上下两管的跷跷板

CNF=00（推挽）的时候，咱们把输出驱动器画成两个状态对照：导通的管子描了色，电流的方向也标在了引脚上：

咱们看 ODR 写 1 的样子：上管导通、下管关断，引脚就被"推"到了接近 3.3V。这里说的"推"（push），指的就是电流从 VDD 出发、经上管流向外部负载的路径。ODR 写 0 的时候，方向就整个反了过来：上管关断、下管导通，电流从外部经引脚被"挽"（pull）回了 VSS，引脚也就压到了接近 0V。而任意时刻都有一只管子在主动驱动，推挽这个名字说的就是这件事。而且从两个方向看下来，它都是低阻抗的输出：电平确定、边沿也陡峭，几十欧姆的导通电阻对上负载，开关自然就干脆利落了。

驱动能力这边是有硬指标的：F103 普通引脚单脚绝对最大 25mA（数据手册电气特性），日常点灯用掉的几毫安，那是绰绰有余的。但 PC13 偏偏不是普通引脚，咱们把它留到本篇后半再说：它有 3mA 的上限。

开漏：只有下管的电路

咱们再看 CNF=01（开漏），它把上管直接撤了：

写 0 的时候，导通的是下管，引脚被拉到了地，电流的通路还在。写 1 呢？下管关断，然后就没有然后了：上管不存在，引脚与 VDD 之间的通路没了，它就浮空了（高阻态）。而想输出"高"，您得靠外接上拉电阻，把引脚慢慢地拽上去。拽得有多快、平时又漏了多少电流，都由它说了算：想快就选小，想省电就得选大的，结果两头不能全占。

那要开漏干嘛？咱们看三个正经场景。头一个登场的就是 I2C 总线。它的协议要求多台设备共用一根线，而且人人都能拉低，偏偏谁也不许主动推高。为什么？两台设备的推挽输出顶在一起，结果就是短路。开漏配了外部上拉，天生就守得住协议的要求（第五站 I2C 见真章）。线与也算一个：多个开漏输出共用的上拉只有一根，任何一家拉低了，整条线也就成了低，"与"逻辑不用门电路就做出来了。还有电平转换：上拉接的是 5V，输出的"高"就是 5V，3.3V 的芯片就能跟 5V 的老设备握手（前提是引脚 5V 容忍）。

咱们拿开漏去点 LED，是要吃苦头的：输出"高"时引脚浮空，LED 阳极的电压没了着落，灯要么不亮，要么亮得很勉强。看起来代码全都是对的，灯就是不理咱们。所以点灯咱们选推挽，开漏的用场在总线那边。

输入侧：施密特与上下拉

轮到咱们看输入路径。头一个问题：引脚上的连续电压，怎么变成 IDR 里的 0 和 1？中间站着施密特触发器，它的判定带着迟滞：电压爬过了高阈值、才算 1。跌过了低阈值、才算 0。而卡在两个阈值中间，就保持刚才的判断。为什么要留中间这一段？因为真实信号都带着噪声。要是只有一个 2.0V 的门槛，慢信号晃到 2.0V 附近的时候，输出就跟着抖成了一串毛刺。有了迟滞带，小噪声再怎么折腾，也改不动输出的判断。按键的抖动、长线的感应，头一个替您挡着的就是它。

阈值的具体数值归数据手册的电气特性表管，引脚的类型不同、数值也不同，咱们用的时候去查就好，背就不用了。

第二个问题：悬着的引脚，读出来的是什么？不确定。这就是"浮空"（CNF=01 且不接上下拉）的本义：引脚电平由环境电磁场、手指静电、临近走线的互相推搡决定，您拿万用表量它、读数乱跳。复位的默认值 0x44444444 让所有脚浮空输入，咱们拿到的，就是"最中性"的出厂态：自己不驱动电平，外面来什么信号都照单全收。

咱们要是想要一个确定的默认电平，那就要轮到上下拉电阻出场了：CNF=10 的时候，ODR 的对应位写 1 接通上拉、引脚默认高。而写 0 接通下拉、默认低。您没看错：F1 的输入上下拉选择就藏在 ODR 里，这是 F1 独一份的怪设计（F4 起才挪进专门的 PUPDR）。

这对电阻的阻值约 40kΩ，弱得恰到好处：按键按下的时候，它被接地直接短路，引脚被稳稳地拉低。而松手以后，它又够把引脚拽回默认的电平。按键检测的标准姿势（引脚配上拉、按键接地、读下降沿），下一站咱们就靠它吃饭。

回到 Blue Pill：低电平点亮的电路计算

最后咱们把这盏灯的电路算清楚。Blue Pill 的板载 LED，接法是"灌电流"式的：

LED 的正极经限流电阻挂 3.3V，负极接的是 PC13。PC13 输出低的时候（下管导通），从 3.3V 出发的电流经电阻、LED 流进引脚，而后经下管入地，灯也就亮了。"灌"说的就是这个方向，电流灌进了引脚。PC13 输出高的时候，两端都是 3.3V 的量级、没有压差、没有电流，灯也就灭了。"低电平点亮"的全部机关就在这里：决定谁亮的，是 LED 的接法，而不是软件的逻辑。换成"源电流"式的接法（LED 从引脚流向地），点亮的就成了高电平。两种板子其实都常见，咱们把原理图看明白了再写极性。

再看限流电阻这边：LED 的正向压降约 2V（红光典型），电阻上分到的就是 3.3 - 2.0 = 1.3V。咱们按 Blue Pill 常见的几 kΩ 阻值算，算出来的电流在零点几到一毫安级，现代 LED 这个量级就够亮了。那电阻要是没了？LED 的压降被钳在 2V 左右，剩下的 1.3V 全压在引脚的 MOS 管上，电流大小由管子的导通电阻决定，轻松地冲破 25mA。结果是 LED 命短、管子发热、皆大不欢喜。所以限流电阻不是可有可无的装饰，缺了它，真要出事的。

PC13 的脾气，咱们也得交代。它和 PC14/15 的供电来自备份域：RTC 实时时钟、侵入检测、LSE 低速外部晶振这些断电后还得活的机能，靠的都是这个域。代价是三个脚都被卡得更严：输出模式被限在了 2MHz，电流 3mA 就封了顶（数据手册 DS5319 的电气特性里，写得明明白白的）。咱们配 MODE=10（2MHz）正好顶格：PC13 最高就到 2MHz，配 50MHz 属于写了个寂寞。好在点一毫安级的 LED，3mA 也够咱们用了。

模式表回收

现在咱们回头看 04 篇的组合表，每一行的背后，其实都是一片具体的电路：

组合	电路里发生的事
模拟输入	施密特触发器断开（省电防干扰），信号直通 ADC
浮空输入	只有施密特站岗，引脚电平随缘
上拉/下拉输入	40kΩ 弱电阻给引脚一个默认电平，等外部来翻转
推挽输出	上下两管交替主动驱动，双向低阻抗
开漏输出	只剩下管，高电平外包给外部上拉
复用	输出驱动器的方向盘交给片上外设（USART/SPI/TIM）

04 篇的那次翻车，现在咱们拿到电路层的解释了。配置留在了浮空输入，意味着输出驱动器根本没上岗：两只 MOS 管对 ODR 的号令装聋，咱们把 BSRR 写得再勤，引脚偏偏纹丝不动。ODR 就算写进去了，也没有输出路径可走（04 篇 Renode 里 BSRR 照写、ODR 的读数纹丝不动，就是这层电路没上岗的样子）。软件的视角说"配置没生效"，电路视角看到的是：负责执行的电路压根没接上。

而从下一篇起，咱们开始爬抽象的楼梯了：C 宏怎么把今天这些地址和位包起来，又包出了哪些暗伤。带着电路的这层底子上楼，看什么都是透明的。

您来动手

1. 您拿 Blue Pill 原理图（网上搜 "Blue Pill schematic"），找到 PC13 的支路，确认 LED 方向和限流电阻阻值，算出点亮电流。
2. 您把 register_led 的 CRH 配置改成开漏（CNF=01：(0x6u << 20)），烧进 Renode，看看 ODR 翻转是否照旧，再想想换到实际板子上，LED 会怎样。
3. 请您查数据手册 DS5319 的 GPIO 电气特性表，找到普通引脚和 PC13-15 的电流限额原文，核对本文的 25mA/3mA。
4. 您再想一个问题：如果把 LED 从"灌电流"改成"源电流"接法（LED 从引脚流向地），代码里哪一行要改？

欸欸！自查一下再走

• 您说说，"推挽"的推和挽，各自对应哪只 MOS 管、电流往哪个方向流？
• 开漏输出为什么"输出不了高电平"？这句话的电路含义，您能讲出来吗？
• 咱们再看施密特：它的迟滞带防的是什么？要是没有它，慢边沿信号会怎样？
• 您再看看 Blue Pill：LED 为什么低电平点亮？限流电阻限的是谁的流？
• PC13 的 3mA/2MHz 限制来自哪个设计决策？咱们 MODE=10 的选择为什么刚刚好？

参考文献

1

STMicroelectronicsRM0008 Reference Manual — STM32F101/102/103/105/1072021, 9.1 GPIO functional description; 9.1.2-9.1.8 pin circuits and configurations

2

STMicroelectronicsSTM32F103x8/xB Datasheet (DS5319)2015, 5.3.2 I/O static characteristics; 5.3.22 PC13-PC15 electrical characteristics

3

STMicroelectronicsAN1043 — GPIO drive and LED driving on STM322025, Push-pull vs open-drain output driving