[stm32] GPIO 이론 정리

💡 요약 설명

General Purpose Input Output 란?

MCU와 연결된 소자 간 데이터를 주고받기 위해 MCU에서 제공하는 기능을 의미 Input Mode와 Output Mode가 있다.

• 입력 모드(GPIO Input)
  MCU에 핀을 통해 연결된 전자 장치로부터 데이터를 받을 수 있게 하는 Mode
  디지털 값을 입력받을 때에는 플로팅 현상(※ 아래에 설명)을 제거하기 위해 Pull-up 또는 Pull-down 회로를 사용하며 
  아날로그 값을 입력받을 때에는 GPIO 핀을 통해 있는 그대로의 아날로그 전압 값을 측정해야 하므로 Pull-up 및
  Pull-down 회로를 사용하지 않는다.
  TTL 슈미트 트리거 라고 하는 소자를 사용한다.
   
• 출력 모드(GPIO Output)
  MCU에 핀을 통해 연결된 전자 장치에 데이터를 주어 특정 동작을 수행할 수 있게 하는 Mode  
  출력 방식에는 Push/Pull 출력 방식과 오픈 드레인 출력 방식이 있다.

GPIO Input / Output은 DDRx, PORTx, PINx 라는 레지스터를 통해 사용할 수 있으며 
MCU의 대부분의 포트는 해당 레지스터들을 가지고 있기 때문에 대부분의 포트에서 GPIO를 사용할 수 있다.
(※ F429zi 기준 114핀을 입출력 핀으로 사용 가능)

DDRX(Data Direction Register) 

- GPIO Mode를 Input 또는 Output으로 설정할 때 사용하는 레지스터

- 0을 입력하면 해당 포트는 입력용 포트로, 반대로 1을 입력하면 출력용 포트가 된다.

PORTX

- 데이터를 출력할 때 사용하는 레지스터

- 출력을 원하는 데이터값을 레지스터에 넣어주면 외부 소자는 해당 데이터값을 읽어드릴 수 있다.

PINX

- 데이터를 입력할 때 사용하는 레지스터

- 해당 레지스터를 통해 외부 소자로부터 원하는 입력값을 읽어드릴 수 있다.

SFIOR(Special Function IO Register)

- 각종 특수 기능을 제어하기 위한 레지스터

- e.g) 풀업 저항을 비활성화할 수 있다.

 

💡  GPIO Block Diagram

STM32 에서의 GPIO 블럭도

GPIO 블럭도는 STM32 외에 다른 MCU 에서도 비슷하게 구성되어 있으며 오른쪽 부터 보면 된다.
먼저 맨 오른쪽 Protecition diode를 통해 표준 입력 전압(e.g. 3.3V or 5V)보다 높게 들어온 경우 전류를 다이오드에 보내
표준 입력 전압 보다 높은 전압이 들어오는 것을 막으며 회로를 보호한다.
Pull up, Pull down 중 사용할 회로를 선택하고 입력이면 위쪽 Input driver를 출력이면 아래쪽 output driver를 선택한다.

TTL 슈미트 트리거

TTL 로직을 통해 표준 전압에 부합한 전압이 공급될 경우 High(1), 미만의 전압이 공급될 경우 Low(0)을 반환하고
슈미트 트리거 로직을 통해 노이즈를 줄이고 Input data register에 저장된 값을 읽어드릴 수 있게 된다.

 

Push / Pull 출력 방식

가장 하단 P-MOS, N-MOS로 이루어진 회로에서 두 소자를 모두 사용할 경우에 해당하며

MCU에 Vdd가 연결되었을 경우 Push 상태가 되어 Output pin에 High(1)을 Push 한다.
반대로 MCU에 Vdd가 연결되지 않았을 경우 Pull 상태가 되어 Output pin에 Low(0)를 Pull 한다. 
따라서 Vdd가 연결되었음을 외부 소자가 감지할 수 있게 하여 외부소자는 Output data register에서 데이터를
읽어드릴 수 있게 된다.

Push & Pull Phase

Open Drain 출력 방식

N-MOS만 사용하였을 경우에 해당하며 Push / Pull 과는 다르게
MCU가 Vdd에 연결되었을 경우 Floating 상태가 되어 0 또는 1의 상태가 된다. 따라서 외부 소자의 저항을 이용해서 
불안정한 출력 전류를 제어한다.
(※ 여러 소자에 데이터를 출력 시켜야하는 해야하는 경우 외부 소자에서 출력을 제어해야할 때 사용한다.) 

 

   ※) 플로팅 현상

플로팅 현상 원인

첫 번째 그림에서 MCU에 5V 전압이 인가되어 High(1) 신호가 출력된다.
두 번째 그림에서는 5V가 인가되고 있지 않으나 잔류 전류, 정전기 등의 이유로 Low(0) 신호와 High(1) 신호가
불규칙적으로 나타난다...
전원이 연결되지 않았을 때 MCU를 GND에 연결해 잔류 전류, 정전기 등을 제거해 주는 회로가 풀업, 풀다운 회로이다.

 

💡 참고 링크

https://m.blog.naver.com/hhs4040/221543558686