GPIO全称为通用输入输出端口，是单片机唯一的软硬件交互物理接口。它的核心本质是通过软件配置寄存器，改变引脚内部MOS管、上下拉电阻的硬件通断状态，从而实现电平信号的采集与输出。
图 1 STM32单片机GPIO基本结构图
图1是STM32单片机GPIO基本结构图。
一、保护二极管
GPIO基本结构图最右端为I/O引脚，左端的器件位于芯片内部，在I/O引脚两侧并联了两个用于保护的二极管。
上方二极管阳极接IO引脚，阴极接Vdd（电源正极）。如果外部引脚上电压大于Vdd，上方二极管导通，将外部引脚电压钳位在Vdd+二极管导通电压（硅管0.6~0.7v，锗管0.2~0.3V），防止外部高电压烧毁芯片。
下方二极管阴极接IO引脚，阳极接Vss（电源负极，接地端）。如果外部引脚电压低于Vss，下方二极管导通，外部引脚电压钳位在Vss减去二极管导通电压（硅管-0.6~-0.7v，锗管-0.2~-0.3V），防止负压灌入芯片内部烧毁电路。
当IO 引脚电压处于正常工作范围，即引脚电压大于等于Vss，小于等于Vdd时，上、下这两只保护二极管都处于反向偏置，全部截止。
注意：保护二极管仅适合短暂静电泄放，不允许持续流过正向大电流，长时间外部施加高于 VDD+0.7V 或者低于‑0.7V 电压依旧会烧坏芯片内部电路。
二、上拉、下拉电阻
结构图的右上方有两个受控开关分别接通上拉电阻（连Vdd）和下拉电阻（连Vss）。上拉电阻可以在引脚悬空时，给引脚一个确定的高电平，消除浮空不定态（防止电平随机抖动、噪声误触发）。下拉电阻引脚悬空时，强制引脚默认是低电平，消除浮空不确定状态。
程序可以控制两个受控开关的断开和闭合，闭合上拉开关时，引脚悬空得到确定高电平，消除浮空不定态，防止噪声误触发；闭合下拉开关时，引脚悬空得到确定低电平；若两个开关全部断开，则为浮空输入，悬空时引脚电平不确定，容易引入干扰。
上拉电阻和下拉电阻主要用于单片机引脚的输入模式：闭合上拉支路开关、断开下拉支路开关，单片机引脚处于上拉输入模式；断开上拉支路开关、闭合下拉支路开关，单片机引脚处于下拉输入模式；上拉、下拉两个开关全部断开，单片机引脚处于浮空输入模式。
三、输入通路
基本结构图的上半部分为输入模式结构。
外部引脚电平先送入施密特触发器，施密特触发器会将引脚电平信号进行整形，过滤电平信号的毛刺，防止信号抖动时发生多次误触发。当引脚设置成模拟输入模式时，这条通路会断开，避免漏电流干扰 ADC 的采样结果。
施密特输出之后信号送入输入数据寄存器。CPU 可以通过读寄存器，读出当前引脚外部的电平状态。
观察结构图，施密特触发器输出端另外还有一条分支：复用功能输入。外部电平直接送给片上外设（例如 USART 的 RX、SPI 的 MISO 等外设接收信号），不经过 CPU 读取。
四、输出通路
结构图的下半部分是输出模式结构。
连接单片机引脚的有两个MOS管，上方是P-MOS管，下方是N-MOS管，由输出控制模块控制两只 MOS 管的导通和关断。
P-MOS管和N-MOS管导通和关断可以组合为三种输出模式：推挽输出模式、开漏输出模式和输出关闭。
推挽输出模式
P-MOS和N-MOS 交替导通。输出高电平时 P-MOS 导通接 VDD；输出低电平时 N-MOS 导通接 GND。高低电平都有驱动能力，可以输出电流也可以灌电流。
开漏输出模式
P-MOS管关闭，输出只用到N-MOS管。输出高电平时，N-MOS管关闭，引脚是高阻态；输出低电平时，N-MOS 导通，单片机IO 引脚通过这个导通的 N-MOS 管直接跟内部的Vss连通，单片机引脚电位就被强制变成低电平 (0V)。
输出关闭
P-MOS和N-MOS全部关闭，此时单片机引脚为高阻状态，引脚与内部电源 VDD、地 VSS 都断开。
输出数据来源有两条路径：普通 GPIO 输出和复用功能输出。
普通 GPIO 输出：CPU 有两种方式设置引脚输出电平，可以向输出数据寄存器 ODR 写入数据，也可以向位设置清除寄存器 BSRR 写入数据。
方式一：向 ODR 寄存器写数据
CPU 执行写指令，向输出数据寄存器 ODR写入数据；ODR 锁存保存每一位引脚要输出的电平，ODR 输出的电平信号送入后面的输出控制逻辑电路，输出控制逻辑根据收到的电平，控制后面一对 MOS 管（P‑MOS、N‑MOS）：
- 如果输出高电平：P-MOS 导通，N-MOS 截止；IO 引脚连通Vdd，输出高电平。
- 如果输出低电平：P-MOS 截止，N-MOS 导通；IO 引脚连通Vss，引脚拉到地，输出低电平。
方式二：向 BSRR 写入数据
BSRR 属于只写寄存器，低 16 位用来对引脚置位（输出高电平），高 16 位用来对引脚清零（输出低电平）。BSRR 不需要先读取原有寄存器值，硬件内部更新 ODR 锁存电平之后，同样送给输出控制逻辑驱动 MOS 管。该方式不会影响其余引脚的输出状态。
复用功能输出：来自片上外设（例如 USART 的 TX、SPI 的 SCK），外设直接输出信号驱动 MOS 管，此时 GPIO 不再受 ODR 寄存器控制。