GPIO的结构图如下所示：
最右端为I/O引脚，左端的器件位于芯片内部。I/O引脚并联了两个用于保护的二极管。

输入模式

从I/O引脚进来就遇到了两个开关和电阻，与VDD相连的为上拉电阻，与VSS相连的为下拉电阻。再连接到TTL施密特触发器就把电压信号转化为0、1的数字信号存储在输入数据寄存器（IDR）。我们可以通过设置配置寄存器（CRL、CRH）来控制这两个开关，于是就可以得到GPIO的上拉输入模式（GPIO_Mode_IPU）和下拉输入模式（GPIO_Mode_IPD）了。

1. 上拉输入模式
   若GPIO引脚配置为上拉输入模式，在默认状态下（GPIO引脚无输入），读取得的GPIO引脚数据为1，高电平。
2. 下拉输入模式
   下拉模式则相反，在默认状态下其引脚数据为0，低电平。
3. 浮空输入模式
   浮空输入模式（GPIO_Mode_IN_FLOATING）在芯片内部既没有接上拉，也没有接下拉电阻，经由触发器输入。配置成这个模式直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值。由于其输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准的通信协议如I2C、USART的接收端。
4. 模拟输入模式
   模拟输入模式（GPIO_Mode_AIN）则关闭了施密特触发器，不接上、下拉电阻，经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块。如传送至ADC模块，由ADC采集电压信号。所以使用ADC外设的时候，必须设置为模拟输入模式。

输出模式

1. 推挽输出模式
   所谓推挽输出模式，则是根据其工作方式来命名的。
   在输出高电平时，P-MOS管导通；低电平时，N-MOS管导通。两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的供电平为0伏，高电平为3.3伏。
2. 开漏输出模式
   在开漏输出模式时，如果我们控制输出为0，低电平，则使N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1（无法直接输出高电平），则既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须在外部接上一个上拉电阻。它具有“线与”特性，即很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0伏。

普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏的场合。而普通开漏输出模式一般应用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就需要在外部接一个上拉电阻，电源为5伏，把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。

3. 复用推挽输出模式

4. 复用开漏输出模式

对于相应的复用模式，则是根据GPIO的复用功能来选择的，如GPIO的引脚用作串口的输出，则使用复用推挽输出模式。如果用在IC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合，就使用复用开漏模式。

参考书籍：《STM32库开发实战指南》