IO口操作是單片機(jī)實(shí)踐中最基本最重要的一個(gè)知識(shí)，本篇花了比較長(zhǎng)的篇幅介紹IO口的原理。也是查閱了不少資料，確保內(nèi)容正確無(wú)誤，花了很長(zhǎng)時(shí)間寫的。IO口原理原本需要涉及很多深入的知識(shí)，而這里盡最大可能做了簡(jiǎn)化方便理解。這樣對(duì)于以后解決各種IO口相關(guān)的問(wèn)題會(huì)有很大的幫助。 IO口等效模型是本人獨(dú)創(chuàng)的方法，通過(guò)此模型，能有效的降低對(duì)IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)理解的難度。并且經(jīng)查閱資料確認(rèn)，這種模型和實(shí)際工作原理基本一致。 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(jī)了。IO口作為單片機(jī)與外界通信最主要的手段，是單片機(jī)學(xué)習(xí)最基本也最重要的一個(gè)知識(shí)。前面我們編程實(shí)現(xiàn)了IO口點(diǎn)亮LED的實(shí)驗(yàn)，本篇繼續(xù)對(duì)IO口相關(guān)知識(shí)進(jìn)行介紹。 為了更好的學(xué)習(xí)IO口操作，有必要了解一下IO口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)概念。這些知識(shí)對(duì)于后續(xù)的學(xué)習(xí)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(quán)威準(zhǔn)確） 我們說(shuō)過(guò)，要了解一個(gè)芯片，最準(zhǔn)確有效的方法，是查看官方給出的芯片手冊(cè)等資料。但是初學(xué)單片機(jī)，直接看芯片手冊(cè)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(xí)熱情，而是希望大家能明白，我們所見過(guò)的各種單片機(jī)資料到底是怎么來(lái)的，到底是否準(zhǔn)確，這一切都可以通過(guò)官方資料弄清楚，對(duì)于大家以后深入學(xué)習(xí)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(quán)威的51單片機(jī)IO口結(jié)構(gòu)圖。可以看出，單片機(jī)的四組IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，原因是有些IO口有第二功能，入門篇里面提到過(guò)。 還記得這張管腳圖嗎？括號(hào)中標(biāo)注的就是IO口的第二功能名稱。除了P1以外，每個(gè)接口都有第二功能。介紹單片機(jī)系統(tǒng)模塊時(shí)，我提到51單片機(jī)有預(yù)留擴(kuò)展存儲(chǔ)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?yàn)橛玫牟欢啵婕爸R(shí)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(jī)原理相關(guān)知識(shí)，這里只做簡(jiǎn)化介紹，能滿足絕大多數(shù)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；電阻右邊寫的英文是內(nèi)部上拉電阻的意思，之所以叫上拉電阻，是因?yàn)殡娮璧囊欢私釉赩CC上。下面的三角形表示接地，相當(dāng)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，起到電子開關(guān)的作用（如果想深入了解，可以學(xué)習(xí)模擬電路相關(guān)的知識(shí)，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(jié)構(gòu)只是一個(gè)IO口，整個(gè)單片機(jī)中有32個(gè)這種結(jié)構(gòu)。 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關(guān)。藍(lán)色框中的部分在單片機(jī)內(nèi)部。 S的開關(guān)狀態(tài)由CPU控制。當(dāng)用程序設(shè)置P1.0管腳為低電平時(shí)，電子開關(guān)S閉合。實(shí)際上電子開關(guān)S閉合時(shí)，兩端還有很小的電阻。根據(jù)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(dāng)設(shè)置管腳為高電平時(shí)S斷開，P1.0通過(guò)10k上拉電阻接到VCC上。如果用電壓表測(cè)量，因?yàn)殡妷罕韮?nèi)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(fù)極接到P1.0口： 在單片機(jī)執(zhí)行LED=0的時(shí)候，電子開關(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(jié)合單片機(jī)內(nèi)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LED=1。 當(dāng)執(zhí)行LED=1時(shí)，S斷開。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(dǎo)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(jī)內(nèi)部，我們稱之為灌電流接法；后者電流方向相反，稱為拉電流接法。對(duì)比可以看出，對(duì)于51單片機(jī)，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(dāng)中灌電流的最大電流也是有限的，因?yàn)殡娮娱_關(guān)S中能通過(guò)的電流有限。根據(jù)STC官方的芯片手冊(cè)，對(duì)于STC單片機(jī)，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(jī)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(dāng)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(dāng)單片機(jī)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(fèi)掉。所以上拉電阻過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)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(fèi)電能。 上拉電阻的作用是什么呢？對(duì)電路了解多一點(diǎn)的人很快能發(fā)現(xiàn)，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。開關(guān)閉合時(shí)能輸出低電平，但是開關(guān)斷開時(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(jī)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(dāng)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)。 備注1：后續(xù)文章會(huì)詳細(xì)分析高阻態(tài)。 備注2：雖然P1.0似乎是同時(shí)連接到CPU的IO輸入端了，即圖中寫著“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(dǎo)通，并且是單向的，可以想象成內(nèi)阻較大的電壓表輸入端。 備注3：如圖中所示，51單片機(jī)IO口工作在普通IO口狀態(tài)下，電子開關(guān)是用晶體管實(shí)現(xiàn)的（包括三極管和MOS管兩種）。圖中實(shí)現(xiàn)的這種電平輸出結(jié)構(gòu)，如果是MOS管實(shí)現(xiàn)，則被稱為漏極開路輸出(OD=Open Drain，或簡(jiǎn)稱為“開漏”)，漏極是MOS管的一個(gè)管腳，對(duì)應(yīng)于圖中S和R的接點(diǎn)處。而如果是三極管實(shí)現(xiàn)，則稱為集電極開路輸出(OC=Open Collector)，兩者原理基本一致。后續(xù)文章會(huì)介紹三極管。 上拉電阻的存在，將原本的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成了高電平，也因此得名。和上拉電阻相對(duì)應(yīng)的，還有下拉電阻，區(qū)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)開關(guān)來(lái)說(shuō)明。在很多單片機(jī)中，IO的輸入和輸出需要通過(guò)電路切換，而對(duì)于51單片機(jī)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(dǎo)線上的電平。我們想要實(shí)現(xiàn)的效果是，讓CPU讀取P1.0端口的電平，從而獲得開關(guān)S0的狀態(tài)。