HIGH 和 LOW，是谁推出来的？｜引脚电路 01

上一系列把 GPIO 当成“能输出高低电平的引脚”。现在打开这个黑盒：为什么同一根引脚，既能接近电源电压，又能接近地？答案藏在输出级中。

本系列不需要开发板。三张 GIF 使用理想开关解释普通 CMOS 推挽输出，非芯片仿真、非硬件实测；时间已放慢，省略寄生参数与实际驱动时序。电源用 VDD 表示，不指定所有芯片都相同的电压。

两条路，只选一条

把输出级简化成上下两只开关：上侧通向 VDD，下侧通向 GND，中间节点就是引脚。输出 HIGH 时，上侧接通、下侧断开；输出 LOW 时，下侧接通、上侧断开。

“推挽”强调输出能主动向两个方向改变电位。它不是简单地把一个变量贴上 1 或 0 的标签，也不是 HIGH 时有电、LOW 时完全没有电路。LOW 仍然可能接通一条承载电流的路径。

真实晶体管不是零电阻导线，输出也不是无限强的电压源。电流经过内部器件，就可能产生压降和发热。因而“接近电源”比“永远严格等于电源”更准确。

电压不是无条件保证

第二张图采用一条纯教学等效关系：HIGH 输出看成理想电源串联输出电阻。负载电流增加，电阻上的压降增加，端口电压下降。模型中的数值只用于看趋势，不能拿来当某块开发板的参数。

查数据手册时，应把 VOH、VOL 与测试电流一起读。VOH 的保证值，通常是在指定输出电流、电源与温度条件下成立；不能只记住“这是一颗 3.3V 芯片”，就认为任何负载下引脚都有 3.3V。

同样，GPIO 的速度档位常涉及输出边沿能力，并不等于选择了某个固定方波频率。更快的边沿未必更适合长导线，布线、负载和干扰都需要一起考虑。

两个输出不要争同一根线

假如把两个普通推挽输出直接相连，一个要求 HIGH，另一个要求 LOW，就可能形成从前者电源经输出级到后者地的低阻通路。结果不是“自动投票”，而是电平不可靠、电流过大，严重时损坏器件。

图中橙色路径表示危险情况，不是推荐实验。即使程序平时让两个引脚同高同低，上电、复位、下载程序和模式切换时，也可能出现不同状态。因此不能只用正常运行时的一行代码证明连接安全。

共享线路需要选用允许共享的输出结构和协议，或使用明确的输出使能协调驱动者。下一课的开漏，就是解决某类共享问题的一种办法，但它也有条件。

看完再猜

如果一个引脚输出 LOW，能否断言它没有承载电流？不能。要看外部负载接在哪里：若负载另一端接电源，电流可能流入引脚，再经内部下侧器件回地。

本课记住三个问题：当前谁在驱动？电流从哪里来、回哪里去？数据手册是在什么条件下保证这个电压？有了这三个问题，HIGH/LOW 就不再只是程序里的两个单词。

资料：ST GPIO 入门与输出速度、TI HCMOS 设计考虑。本文自行构建的理想开关与压降模型仅用于解释，不代表任一器件实测曲线。

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