單片機I/O口的結(jié)構(gòu)的詳解與說明

　　標(biāo)準(zhǔn)51內(nèi)核單片機的IO口：

　　P0口則為雙向三態(tài)輸入輸出口

　　P1\P2\P3是準(zhǔn)雙向IO口，沒有方向控制，做輸入時需要先往端口數(shù)據(jù)寄存器寫1才行（也可看作此時為輸出，端口輸出高電平）。

　　初始狀態(tài)和復(fù)位狀態(tài)下準(zhǔn)雙向口為1，雙向口為高阻狀態(tài)

　　P0口：雙向8位三態(tài)I/O口

　　P1口：準(zhǔn)雙向8位I/O口

　　P2口：準(zhǔn)雙向8位I/O口

　　P3口：準(zhǔn)雙向8位I/O口

　　這里特別要主要準(zhǔn)雙向與雙向三態(tài)I/O的區(qū)別：

　　P1口，P2口，P3口是3個8位準(zhǔn)雙向的I/O口，各口線在片內(nèi)均有固定的上拉電阻，當(dāng)這三個準(zhǔn)雙向I/O口作輸入口使用時，要想該口先寫1，另外準(zhǔn)雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。

　　而雙向口P0口線內(nèi)無固定上拉電阻，由兩個MOS管串接，既可開漏輸出（開漏輸出，本博客有解釋）有可處于高阻的“浮空”狀態(tài)，故稱為雙向三態(tài)I/O口。

　?。?zhǔn)＂就是＂基本上＂的意思．

　　P0口是雙向指的是它被用作地址／數(shù)據(jù)端口時，只有在這個時候，P0口才處于兩個開關(guān)管推挽狀態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)管都關(guān)閉時，才會出現(xiàn)高阻狀態(tài)．

　　當(dāng)P0口用于一般I/O口時，內(nèi)部接Vcc的那個開關(guān)管是與引腳（端口）脫離聯(lián)系的，這個時候，只有拉地的那個開關(guān)管其作用，P0口作為輸出，是必須外接上拉電阻的，不然就無法輸出高電平；如果P0口作為輸入，則必須先對端口寫１，使拉地的開關(guān)管斷開，這個時候，如果不接上拉電阻，則是高阻狀態(tài)，就是一個雙向口，如果接上拉電阻，則本身輸出高電平，對輸入信號的邏輯無影響（注意是對邏輯無影響，對實際參數(shù)有無影響我不確定，但是我認(rèn)為是有的）．

　　雙向與準(zhǔn)雙向，根本原則是雙向包含了高阻這個狀態(tài)，而不在于是否需要先寫１或者不寫，P1~P3口因為有內(nèi)部上拉電阻，因此無論如何不是雙向；P０口內(nèi)部無上拉電阻，在處于數(shù)據(jù)／地址功能時，自動完成３態(tài)的轉(zhuǎn)換，是雙向，處于一般I/O口時，如果不接外部上拉，而且先向端口寫了１，那么就處于高阻狀態(tài)，此時，它也是一個人為的雙向口，這與它處于地址／數(shù)據(jù)功能時的自動雙向有區(qū)別，以及與P1~P3處于輸入時輸出鎖存器為1是有區(qū)別的。

　　簡單說：

　　（1） P0口無固定上拉電阻。P1，P2，P3有。

　　（2） 就是P0口作為輸入輸出口時，為了能讓內(nèi)部1能正確輸出，要接上拉電阻（如果不接的話，內(nèi)部D=1的時候，Q非=0，V1被截止，V1，V2都處于截止?fàn)顟B(tài)，不能正確反映1，所以需要上拉電阻。），在讀取輸入的時候，因為此時P0口是作為一個準(zhǔn)雙向口，所以得先向外寫1，不然的話，如果鎖存器曾經(jīng)鎖存過0，則V1被導(dǎo)通，PO.x被鉗制在低電平，不能正確反映輸入。

　?。?）P0口作為地址/數(shù)據(jù)口的時候，由于訪問外部存儲器期間，CPU會自動向PO口的鎖存器寫入0FFH，對用戶而言，PO口此時才是真正的三態(tài)雙向口。

　　單片機I/O口的結(jié)構(gòu)的詳解

　　我們先來說說集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)。集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路（左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時，輸出也為“0”）。對于圖1，當(dāng)左端的輸入為“0”時，前面的三極管截止（即集電極c跟發(fā)射極e之間相當(dāng)于斷開），所以5v電源通過1k電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通（即相當(dāng)于一個開關(guān)閉合）；當(dāng)左端的輸入為“1”時，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止（相當(dāng)于開關(guān)斷開）。

　　我們將圖1簡化成圖2的樣子。圖2中的開關(guān)受軟件控制，“1”時斷開，“0”時閉合。很明顯可以看出，當(dāng)開關(guān)閉合時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當(dāng)開關(guān)斷開時，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時電平狀態(tài)未知，如果后面一個電阻負(fù)載（即使很輕的負(fù)載）到地，那么輸出端的電平就被這個負(fù)載拉到低電平了，所以這個電路是不能輸出高電平的。

　　再看圖三。圖三中那個1k的電阻即是上拉電阻。如果開關(guān)閉合，則有電流從1k電阻及開關(guān)上流過，但由于開關(guān)閉和時電阻為0（方便我們的討論，實際情況中開關(guān)電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開關(guān)斷開，則由于開關(guān)電阻為無窮大（同上，不考慮實際中的漏電流），所以流過的電流為0，因此在1k電阻上的壓降也為0，所以輸出端的電壓就是5v了，這樣就能輸出高電平了。但是這個輸出的內(nèi)阻是比較大的（即1kω），如果接一個電阻為r的負(fù)載，通過分壓計算，就可以算得最后的輸出電壓為5*r/（r+1000）伏，即5/（1+1000/r）伏。所以，如果要達(dá)到一定的電壓的話，r就不能太小。如果r真的太小，而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過減小那個1k的上拉電阻來增加驅(qū)動能力。但是，上拉電阻又不能取得太小，因為當(dāng)開關(guān)閉合時，將產(chǎn)生電流，由于開關(guān)能流過的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值，另外還需要考慮到，當(dāng)輸出低電平時，負(fù)載可能還會給提供一部分電流從開關(guān)流過，因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。

　　如果我們將一個讀數(shù)據(jù)用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個io口了（51的io口就是這樣的結(jié)構(gòu)，其中p0口內(nèi)部不帶上拉，而其它三個口帶內(nèi)部上拉），當(dāng)我們要使用輸入功能時，只要將輸出口設(shè)置為1即可，這樣就相當(dāng)于那個開關(guān)斷開，而對于p0口來說，就是高阻態(tài)了。

　　對于漏極開路（od）輸出，跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應(yīng)管即可。這樣集電極就變成了漏極，oc就變成了od，原理分析是一樣的。

　　另一種輸出結(jié)構(gòu)是推挽輸出。推挽輸出的結(jié)構(gòu)就是把上面的上拉電阻也換成一個開關(guān)，當(dāng)要輸出高電平時，上面的開關(guān)通，下面的開關(guān)斷；而要輸出低電平時，則剛好相反。比起oc或者od來說，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動能力都很強。如果兩個輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說的oc或od輸出則不會有這樣的情況，因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時，則兩個開關(guān)必須同時斷開（或者在輸出口上使用一個傳輸門），這樣可作為輸入狀態(tài)，avr單片機的一些io口就是這種結(jié)構(gòu)。

　　.AVR單片機IO口的結(jié)構(gòu)分析

　　AVR的IO是真正雙向IO結(jié)構(gòu)，由于大部分網(wǎng)友都是從標(biāo)準(zhǔn)51轉(zhuǎn)過來的，受標(biāo)準(zhǔn)51的準(zhǔn)雙向IO和布爾操作概念影響，沒能掌握AVR的IO操作，所以有必要撰文說明一下，其實采用真正雙向IO結(jié)構(gòu)的新型MCU很多，常用的有增強型51，PIC，AVR等。

　　先簡單的回顧一下標(biāo)準(zhǔn)51的準(zhǔn)雙向IO結(jié)構(gòu)

　　這種準(zhǔn)雙向IO結(jié)構(gòu)的特點是

　　1 輸出結(jié)構(gòu)類似 OC門，輸出低電平時，內(nèi)部NMOS導(dǎo)通，驅(qū)動能力較強（800uA）；輸出高電平靠內(nèi)部上拉電阻，驅(qū)動能力弱（60uA）。

　　2 永遠(yuǎn)有內(nèi)部電阻上拉（P0口除外），高電平輸出電流能力很弱，所以即使IO口長時間短路到地也不會損壞IO口

　?。ㄍ?，IO口低電平輸出能力較強，作低電平輸出時不能長時間短路到VCC）

　　3 作輸入時，因為OC門有“線與”特性，必須把IO口設(shè)為高電平（所以按鍵多為共地接法）

　　4 作輸出時，輸出低電平可以推動LED（也是很弱的），輸出高電平通常需要外接緩沖電路（所以LED多為共陽接法）

　　5 軟件模擬 OC結(jié)構(gòu)的總線反而比較方便-----例如 IIC總線

　　* P0口比較特殊，做外部總線時，是推挽輸出，做普通IO時沒有內(nèi)部上拉電阻，所以P0口做按鍵輸入需要外接上拉電阻。

　　* OC門：三極管的叫集電極開路，場效應(yīng)管的叫漏極開路，簡稱開漏輸出。具備“線與”能力，有0得0。

　　* 為什么設(shè)計成輸出時高電平弱，低電平強----是考慮了當(dāng)年流行的TTL器件輸入特性

　　相信我們大多數(shù)人都接觸過51單片機，51單片機的I/O口是準(zhǔn)雙向I/O口。其實這種說法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，我們知道?1單片機有4個I/O口，分別是P0、P1、P2、P3，這4個I/O口的結(jié)構(gòu)并不完全一致，其中P0口是標(biāo)準(zhǔn)的雙向I/O口，而P1、P2、P3則是準(zhǔn)雙向I/O口。

　　關(guān)于準(zhǔn)雙向I/O口和雙向I/O口的區(qū)別請看另一篇文章“準(zhǔn)雙向I/O口和標(biāo)準(zhǔn)雙向I/O口的區(qū)別”

　　AVR單片機的I/O口是標(biāo)準(zhǔn)的雙向I/O口，它的IO結(jié)構(gòu)就就比51的I/O口復(fù)雜多了，單是控制端口的寄存器就有3個 PORTx（數(shù)據(jù)寄存器）、DDRx（數(shù)據(jù)方向寄存器）、PINx（端口輸入引腳）；另外還有一個SFIOR（特殊功能I/O寄存器），這個寄存器中的PUD位控制全部I/O口的上拉電阻是允許還是被禁止。