單片機小白學(xué)步系列二十 IO口原理
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IO口等效模型是本人獨創(chuàng )的方法，通過(guò)此模型，能有效的降低對IO口內部結構理解的難度。并且經(jīng)查閱資料確認，這種模型和實(shí)際工作原理基本一致。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201611/317593.htm==========================================
前面說(shuō)了很多東西，不少人或許已經(jīng)迫不及待的想要實(shí)際操作單片機了。IO口作為單片機與外界通信最主要的手段，是單片機學(xué)習最基本也最重要的一個(gè)知識。前面我們編程實(shí)現了IO口點(diǎn)亮LED的實(shí)驗，本篇繼續對IO口相關(guān)知識進(jìn)行介紹。
為了更好的學(xué)習IO口操作，有必要了解一下IO口的內部結構和相關(guān)概念。這些知識對于后續的學(xué)習很有幫助，重點(diǎn)是理解，完全不需要刻意去記。不記得就回來(lái)再看看就行了，用得多了自然就記住了。
官方資料（最權威準確）
我們說(shuō)過(guò)，要了解一個(gè)芯片，最準確有效的方法，是查看官方給出的芯片手冊等資料。但是初學(xué)單片機，直接看芯片手冊資料恐怕很難弄明白，尤其是看到一堆英文、陌生的電路、名詞術(shù)語(yǔ)，如果是我，一定也會(huì )抓狂的。但是這里我還是給出一張從Atmel官方的《Atmel 8051 Microcontrollers Hardware Manual》中截取的圖片。
給出這張圖片并不是為了打擊大家學(xué)習熱情，而是希望大家能明白，我們所見(jiàn)過(guò)的各種單片機資料到底是怎么來(lái)的，到底是否準確，這一切都可以通過(guò)官方資料弄清楚，對于大家以后深入學(xué)習一些東西有一定的幫助。
第二功能簡(jiǎn)介
上圖正是官方給出的權威的51單片機IO口結構圖?？梢钥闯?，單片機的四組IO口內部結構各不相同，原因是有些IO口有第二功能，入門(mén)篇里面提到過(guò)。
還記得這張管腳圖嗎？括號中標注的就是IO口的第二功能名稱(chēng)。除了P1以外，每個(gè)接口都有第二功能。介紹單片機系統模塊時(shí)，我提到51單片機有預留擴展存儲器的接口，正是圖中的P0和P1的第二功能（同時(shí)還要用到29、30等管腳）。因為用的不多，涉及知識也比較深入，就不做具體研究了。順便一提，其實(shí)這里我們看到的AD0~AD7，就是用于并行口的。而P3口的第二功能，就包括串口等，后面學(xué)到了還會(huì )具體介紹。
IO口等效電路
由于深入理解IO口的原理涉及到很多電路甚至微機原理相關(guān)知識，這里只做簡(jiǎn)化介紹，能滿(mǎn)足絕大多數情況下的需要。作為普通IO口使用時(shí)，四個(gè)IO口的工作原理基本一致。
下面的圖是從前面圖中的P1電路中裁剪出來(lái)的，也是我們需要理解的關(guān)鍵。
右邊的P1.X表示P1的一個(gè)IO口，如P1.0；電阻右邊寫(xiě)的英文是內部上拉電阻的意思，之所以叫上拉電阻，是因為電阻的一端接在VCC上。下面的三角形表示接地，相當于GND。除此之外，最關(guān)鍵的一個(gè)器件是下面這個(gè)。
這個(gè)器件的本質(zhì)是晶體管，起到電子開(kāi)關(guān)的作用（如果想深入了解，可以學(xué)習模擬電路相關(guān)的知識，或者等到原理篇中介紹）。上面的電路可以大致等效成下圖。注意，這樣的結構只是一個(gè)IO口，整個(gè)單片機中有32個(gè)這種結構。
圖中的R為阻值10k的上拉電阻，S是由前面的晶體管等效的電子開(kāi)關(guān)。藍色框中的部分在單片機內部。
S的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由CPU控制。當用程序設置P1.0管腳為低電平時(shí)，電子開(kāi)關(guān)S閉合。實(shí)際上電子開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，兩端還有很小的電阻。根據分壓原理，P1.0上會(huì )有一個(gè)很低的電壓，近似0V，已經(jīng)可以視為低電平了。當設置管腳為高電平時(shí)S斷開(kāi)，P1.0通過(guò)10k上拉電阻接到VCC上。如果用電壓表測量，因為電壓表內阻很大，所以可以得出其電壓值為高電平。
IO口的輸出：點(diǎn)亮LED
前面介紹了點(diǎn)亮第一個(gè)LED的程序和電路。程序如下：
#include
sbit LED = P1^0;
void main()
{
LED = 0;
while(1);
}
電路關(guān)鍵部分如下，VCC通過(guò)1k電阻連接到LED正極，LED負極接到P1.0口：
在單片機執行LED=0的時(shí)候，電子開(kāi)關(guān)S就由CPU控制而閉合，P1.0上輸出低電平。電流通過(guò)1k電阻和LED流入P1.0，再經(jīng)過(guò)S流入GND，LED兩端有合適的電壓于是點(diǎn)亮。結合單片機內部IO口等效電路，整個(gè)電路如下圖
灌電流與拉電流
在上面的例子中，P1.0輸出低電平點(diǎn)亮LED。能不能反過(guò)來(lái)，P1.0輸出高電平點(diǎn)亮LED呢？我們可以考慮電路連接成下面這樣，并在程序中編寫(xiě)LED=1。
當執行LED=1時(shí)，S斷開(kāi)。電流通過(guò)10k上拉電阻R從P1.0流出，并進(jìn)入LED。由于上拉電阻的阻值太大，電流太小，導致LED不亮，或者亮度很微弱。所以通常不采用這種方法。
這兩種方法，前者電流從外部流入單片機內部，我們稱(chēng)之為灌電流接法；后者電流方向相反，稱(chēng)為拉電流接法。對比可以看出，對于51單片機，灌電流接法電流較大，拉電流接法由于受到上拉電阻限制，電流較小。
在實(shí)際當中灌電流的最大電流也是有限的，因為電子開(kāi)關(guān)S中能通過(guò)的電流有限。根據STC官方的芯片手冊，對于STC單片機，建議單個(gè)IO口灌電流建議不超過(guò)20mA，所有IO口灌電流之和不超過(guò)55mA，否則容易燒壞IO口。而拉電流大小只有230uA左右。
上拉電阻/下拉電阻/高阻態(tài)
拉電流是從上拉電阻流出來(lái)的，能否提高拉電流大小呢？答案是可以。我們只需要在單片機外部再添加一個(gè)上拉電阻，就可以增大拉電流，并且能成功點(diǎn)亮LED，如下圖所示。
圖中的電路，相當于R和R0并聯(lián)了，整個(gè)上拉電阻的阻值減小了。但是這樣做有個(gè)缺陷。在這個(gè)電路中，當單片機輸出低電平時(shí)，S閉合，此時(shí)電流從VCC通過(guò)上拉電阻和S流入GND。此時(shí)雖然LED熄滅了，但是卻有較大電流通過(guò)上拉電阻而浪費掉。所以上拉電阻過(guò)大，會(huì )導致驅動(dòng)力不足，而上拉電阻過(guò)小，又會(huì )在輸出低電平時(shí)浪費電能。
上拉電阻的作用是什么呢？對電路了解多一點(diǎn)的人很快能發(fā)現，如果沒(méi)有上拉電阻，IO口就無(wú)法輸出高電平，也就是下圖這樣的。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)能輸出低電平，但是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，P1.0就懸空了，什么也沒(méi)連接。這時(shí)IO口的電壓就是不確定的了，這種狀態(tài)無(wú)法判斷它是低電平還是高電平，叫做高阻態(tài)。很巧的是，單片機的P0口確實(shí)就沒(méi)有上拉電阻，而其他三組IO口都有上拉電阻。所以當P0輸出高電平，并且沒(méi)有外接上拉電阻時(shí)，就是高阻態(tài)，不能正常輸出高電平。后面我會(huì )通過(guò)具體例子來(lái)讓大家感受一下高阻態(tài)。
注：雖然P1.0似乎是同時(shí)連接到CPU的IO輸入端了，即圖中寫(xiě)著(zhù)“輸入”的綠色箭頭，但是這部分電路只有在讀取管腳輸入的時(shí)候才會(huì )導通，并且是單向的。
上拉電阻的存在，將原本的高阻態(tài)轉變成了高電平，也因此得名。和上拉電阻相對應的，還有下拉電阻，區別在于下拉電阻另一端不是連接VCC而是接到GND。
IO口的輸入
IO口之所以叫IO口（IO=Input/Output），意味著(zhù)它既可以輸出又可以輸入。前面講的都是IO口的輸出，下面講IO口的輸入。IO口的輸出我們通過(guò)LED來(lái)介紹，而IO口的輸入我們則通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)明。在很多單片機中，IO的輸入和輸出需要通過(guò)電路切換，而對于51單片機來(lái)說(shuō)，輸入和輸出使用的是同一套電路，也就是上面我們分析的電路。
圖中的S0是一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，往上切換可以將P1.0接到VCC，往下切換可以接到GND。讀取時(shí)CPU會(huì )通過(guò)特定電路獲取圖中橙色導線(xiàn)上的電平。我們想要實(shí)現的效果是，讓CPU讀取P1.0端口的電平，從而獲得開(kāi)關(guān)S0的狀態(tài)。
當S斷開(kāi)時(shí)，CPU通過(guò)獲取P1.0上的電平可以知道外部開(kāi)關(guān)S0的狀態(tài)，從而執行相應的操作。
而S閉合時(shí)，S0往下切換，P1.0確實(shí)是低電平。而S保持閉合且S0往上切換時(shí)，VCC通過(guò)S0和S直接接到GND就短路了。此時(shí)電子開(kāi)關(guān)S通過(guò)大量電流，可能會(huì )燒壞單片機。于是我們添加了電阻R0。S仍然保持閉合，S0往上切換。此時(shí)P1.0仍然是低電平，于是CPU無(wú)法判斷外部開(kāi)關(guān)S0的狀態(tài)，如下圖。
總結起來(lái)就是在讀取IO口電平時(shí)，應先設置輸出高電平（即斷開(kāi)S），再讀取數據。這個(gè)規則適用于所有IO口。
類(lèi)似的，還可以讀取單刀單擲開(kāi)關(guān)（或按鍵開(kāi)關(guān)）的狀態(tài)，讀取前先設置輸出高電平，電路圖如下。
上面這種電路需要依賴(lài)上拉電阻才能工作。P0口由于沒(méi)有上拉電阻，需要在外部添加一個(gè)上拉電阻（因為如果沒(méi)有上拉電阻，并且S和S0都斷開(kāi)時(shí)，IO口變成高阻態(tài)，讀取的電平結果不確定，于是無(wú)法正確判斷S0的開(kāi)關(guān)狀態(tài)）。
雙向IO口/準雙向IO口
標準雙向IO口的特點(diǎn)有兩條：
1、在輸出模式下，可以輸出高低電平；
2、在輸入模式下，如果沒(méi)有接外部電路，應呈現高阻態(tài)。
對于51單片機的P1、P2、P3口，由于有內部上拉電阻，輸入模式下不可能出現高阻態(tài)，所以稱(chēng)之為準雙向IO口。而P0口作為IO口工作時(shí)，如果不加上拉電阻就無(wú)法輸出高電平；而加了上拉電阻，輸入時(shí)又不會(huì )出現高阻態(tài)，所以也是準雙向IO口。
備注1：51單片機的P0口如果工作在第二功能狀態(tài)下，則是雙向IO口。初學(xué)時(shí)具體原理不需要研究的很透徹，下面一段對此進(jìn)行分析，僅供有興趣的讀者參考。
對照官方的完整IO口結構圖，P0口內部有上下兩個(gè)晶體管。當P0口工作在IO口模式下，上面那個(gè)晶體管斷開(kāi)，可以直接忽略，前面的等效電路就沒(méi)有考慮上面那個(gè)晶體管。而當P0口工作在第二功能狀態(tài)下，兩個(gè)晶體管都可以工作。如果上面的晶體管斷開(kāi)，下面的導通，就輸出低電平；反之上面的導通下面的斷開(kāi)，就輸出高電平并且不需要上拉電阻；如果兩個(gè)晶體管都斷開(kāi)，則可以作為輸入，并且在沒(méi)有外界電路時(shí)呈現高阻態(tài)。所以是雙向IO口。
備注2：關(guān)于雙向IO口和準雙向IO口的概念存在一定爭議，這里的介紹綜合了網(wǎng)上多方面的觀(guān)點(diǎn)，被多數人所接受。
線(xiàn)與邏輯
如果把兩個(gè)單片機IO口連接在一起會(huì )發(fā)生什么現象呢？下面就是我們的電路圖。
當設置兩個(gè)IO口都輸出低電平，即S和S1都閉合時(shí)，總體是低電平；而當設置其中一個(gè)IO口輸出低電平另一個(gè)輸出高電平時(shí)，即S或S1閉合，此時(shí)兩個(gè)IO口上都會(huì )呈現低電平。只有當P1.0、P1.1都輸出高電平，即S和S1都斷開(kāi)時(shí)，才會(huì )呈現高電平。
可以簡(jiǎn)單表述成：兩個(gè)IO口連接在一起，僅當P1.0與P1.1都設置輸出高電平時(shí)，兩者接線(xiàn)上才會(huì )呈現高電平。這就是所謂的線(xiàn)與邏輯。不僅是兩個(gè)，如果是很多的這樣的IO口連在一起，只有所有IO都設置輸出高電平，接線(xiàn)上才會(huì )呈現高電平。線(xiàn)與邏輯會(huì )在后面的矩陣鍵盤(pán)中使用到。
總結
最后總結起來(lái)，主要就是下面幾點(diǎn)。內容有點(diǎn)多，但是實(shí)際上常用的只有其中的幾點(diǎn)。再次強調，不需要刻意去記，明白了原理，用多了自然就記住了。
1、灌電流比拉電流能通過(guò)更大的電流；點(diǎn)亮LED一般用灌電流方式
2、上拉電阻越小，拉電流輸出能力越大，但輸出低電平時(shí)越費電
3、讀取IO口前，要先設置輸出高電平
4、P0作為輸出，需外接上拉電阻
5、按鍵開(kāi)關(guān)作為輸入時(shí)，接在IO口和GND之間，另外需要上拉電阻
6、51單片機的四個(gè)IO口在普通IO狀態(tài)下都是準雙向口
7、51單片機IO口遵從線(xiàn)與邏輯
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《單片機小白學(xué)步》系列教程（原名《單片機入門(mén)指南》）介紹
本系列教程從最基本的入門(mén)知識開(kāi)始，逐步深入介紹單片機系統設計，內容包括：
1、入門(mén)篇：?jiǎn)纹瑱C等基本概念、各種電子設計基本知識
2、思想篇：?jiǎn)纹瑱C/計算機系統設計的工程思想
3、學(xué)習篇：?jiǎn)纹瑱C學(xué)習過(guò)程、方法和技巧，以51單片機為例介紹，并推廣到其他單片機
4、應用篇：遵循規范的工程方法，設計單片機系統實(shí)例（計劃設計的系統有：計算器、電子表、密碼鎖、簡(jiǎn)易手機，具體看有沒(méi)有時(shí)間再確定）
5、原理篇：從模擬電路、數字電路開(kāi)始，逐步深入介紹單片機/計算機系統原理，并自行設計簡(jiǎn)易的CPU（由于個(gè)人水平有限，這部分沒(méi)有把握寫(xiě)好，具體內容視情況而定）
教程特點(diǎn)
包含了各種基本知識，尤其是對單片機基本概念的介紹、為什么要用單片機等，在很多同類(lèi)書(shū)籍教程中都被忽略了。同時(shí)也包含了一些深入的知識，包括原理篇考慮對單片機的基本原理進(jìn)行介紹，有助于深入理解單片機。
本系列教程以51單片機為例進(jìn)行介紹。通過(guò)51介紹完單片機的基本知識，我會(huì )再把430進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，尤其是對比兩者之間的優(yōu)缺點(diǎn)，讓大家很快感受到430的巨大優(yōu)勢，而學(xué)習51正好為快速了解430打下了堅實(shí)的基礎。
本系列教程中，介紹單片機各種模塊編程知識的主要是學(xué)習篇，而學(xué)習篇只是整個(gè)教程的一部分。在學(xué)習篇中我會(huì )貫穿各種方法技巧，如何理解一些模塊功能，怎么看時(shí)序圖，嚴格遵守工程思想進(jìn)行編程，程序發(fā)生了錯誤怎么調試等等。而在思想篇中會(huì )總體介紹很多重要的思想，為后面的學(xué)習做好準備工作。
單片機學(xué)習過(guò)程中，涉及大量的知識，而且很多知識之間相互依賴(lài)，關(guān)聯(lián)很強。
本系列教程對知識的先后順序進(jìn)行比較明確的規劃，盡最大可能符合人的認知過(guò)程。但是實(shí)際規劃時(shí)發(fā)現，無(wú)論怎么調整知識的順序，總有一些知識之間相互依賴(lài)，關(guān)系復雜。例如開(kāi)始講IO口的時(shí)候肯定會(huì )提到寄存器，而寄存器這個(gè)詞的理解，需要深厚的背景知識。但是這些背景知識在沒(méi)有進(jìn)行實(shí)踐的時(shí)候也很難理解。
初學(xué)者常常就會(huì )在這樣的地方感覺(jué)疑惑不解，不知所措。而每次遇到類(lèi)似這樣的知識，我會(huì )向初學(xué)者指出，應該如何對待。這個(gè)知識是應該自己去學(xué)習補充，還是等到學(xué)完原理篇再做理解，而現在又應該怎么去看待這個(gè)名詞。
另外，在整個(gè)教程的學(xué)習前，需要掌握一定的C語(yǔ)言等基礎知識，具體可參考教程第〇篇《序》中的相關(guān)說(shuō)明
http://www.hainter.com/mcu-primer-0
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