1 什么是GPIO?
GPIO全称是general purpose input output，即通用输入输出端口，可以用作输入也可以做输出。GPIO端口可以通过程序配置成输入或者输出。
以STM32为例，大部分引脚除了当GPIO使用外，还可以复用为外设功能引脚（比如串口）。一个引脚，可以作为IO口，同时也可以作为复用功能的外设引脚。
2 GPIO的8工作模式
STM32的GPIO工作模式可分为8种，两大类：
4种输入模式：浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入；
4种输出模式：开漏输出、开漏复用、推挽输出、推完复用。
2.1 输入模式
4种输入模式还是相对好理解的。先看一下M3架构的IO口基本结构：
这里值得说明的是，M3的架构其上下拉是在输入端里才能起作用，而M4的架构中，将这个上下拉放在了保护二极管的左边，即可实现对GPIO输出也实现上下拉。
可以看到，结构中有一个上拉和下拉的开关电路，即选择不同的开关，就可以确定输入状态的某一个电平状态。这种情况即上拉输入或者是下拉输入。
浮空输入可以理解为没有上拉或者下拉的情况，即电平状态完全由IO口的电平决定。
模拟输入模式时，图中的肖特基触发器会处于关闭状态，由于模拟输入一般都是用于ADC采集的情况，所以关闭触发器直接采集模拟量才是正确的方式。
不过值得说明的是，上电复位后，GPIO默认为输入浮空状态，部分特殊功能引脚为特定状态。
2.2 输出模式
由下图可见是设置为输出模式时的结构图，其中步骤1、2、3为输出模式的写入和控制电路，在输出模式时，由4、5、6、7步骤可以看出此时也可以通过读写寄存器读取电平状态。
复用输出功能与普通的输出模式的区别是，当CPU使用的是内置的一些外设功能（片上外设模块）时，决定输出状态的所谓寄存器就变了，例如PWM输出。
开漏输出模式：输出端相当于三极管的集电极。要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般 20ma 以内)。
开漏形式的电路有以下几个特点：
1.利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。当 IC 内部 MOSFET 导通时，驱动电流是从外部的VCC 流经上拉电阻 ，再到MOSFET 到 GND。IC 内部仅需很小的栅极驱动电流。
2.一般来说，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。比如加上上拉电阻就可以提供 TTL/CMOS 电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）
3. 开漏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的 Pin，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。这也是 I2C，SMBus 等总线判断总线占用状态的原理。补充：什么是“线与”？：在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑。
其实可以简单的理解为：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。
推挽输出模式：可以输出高，低电平，连接数字器件；推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由 IC 的电源低定。
推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。
推挽式输出结构如下图：
如图所示，推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经 VT3 拉出。这样一来，输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。
2.3 输出模式对比
推挽输出：可以输出强高低电平，连接数字器件 .
开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。 适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。
3 文章参考
正点原子：GPIO工作原理和配置
博客：
GPIO推挽输出和开漏输出模式区别详解