2. GPIO 工作模式：输入模式、输出模式、开漏输出、推挽输出

GPIO（General Purpose Input/Output）的四种基本工作模式决定了引脚与外部电路之间的电气行为。理解这些模式是正确配置驱动能力、电平逻辑和功耗的前提。本节从电路结构、驱动特性与典型应用三个维度展开分析。

2.1 四种工作模式对比总览

2.2 输入模式（Input Mode）

输入模式下，引脚内部驱动级关闭，呈现高阻状态。外部信号通过施密特触发器或模拟采样通道进入内部寄存器。该模式常用于读取数字电平或模拟电压。

• 电气特性：输入阻抗 > 10 MΩ，漏电流 < 1 μA。
• 可选配置：上拉/下拉电阻、施密特触发使能、模拟模式。
• 注意事项：浮空输入易受噪声干扰，建议在噪声环境启用内部上拉或下拉。

2.3 推挽输出（Push-Pull Output）

推挽输出由一对互补的 PMOS（上管）和 NMOS（下管）构成。输出高电平时 PMOS 导通、NMOS 截止；输出低电平时 PMOS 截止、NMOS 导通。这种结构提供对称的驱动能力，适合高速信号和强驱动场景。

• 驱动能力：典型源电流/灌电流 8–20 mA（视芯片规格）。
• 电平摆率：可配置为慢速/快速，用于控制 EMI。
• 限制：不能直接连接不同电压域的总线（如 3.3V 驱动 5V I²C）。

2.4 开漏输出（Open-Drain Output）

开漏输出仅包含 NMOS 下拉管，漏极（Drain）在芯片内部悬空。输出低电平时 NMOS 导通；输出高电平时 NMOS 截止，引脚呈高阻态，必须依靠外部上拉电阻将电平拉高。这种模式天然支持“线与”逻辑和多电压域通信。

2.5 模式选择与配置示例

在实际嵌入式开发中，GPIO 模式通过寄存器配置。以下以 STM32 HAL 库为例展示模式设置代码：

// 推挽输出模式配置
GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 开漏输出模式配置（用于 I²C 等总线）
GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_PULLUP;   // 内部上拉辅助
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 输入模式配置（浮空输入）
GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

2.6 四种模式选择决策树

2.7 总结与工程建议