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小白学单片机(20) IO口原理讲解资料下载
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2021-04-19
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IO口操作是单片机实践中最基本最重要的一个知识，本篇花了比较长的篇幅介绍IO口的原理。也是查阅了不少资料，确保内容正确无误，花了很长时间写的。IO口原理原本需要涉及很多深入的知识，而这里尽最大可能做了简化方便理解。这样对于以后解决各种IO口相关的问题会有很大的帮助。
IO口等效模型是本人独创的方法，通过此模型，能有效的降低对IO口内部结构理解的难度。并且经查阅资料确认，这种模型和实际工作原理基本一致。
前面说了很多东西，不少人或许已经迫不及待的想要实际操作单片机了。IO口作为单片机与外界通信最主要的手段，是单片机学习最基本也最重要的一个知识。前面我们编程实现了IO口点亮LED的实验，本篇继续对IO口相关知识进行介绍。
为了更好的学习IO口操作，有必要了解一下IO口的内部结构和相关概念。这些知识对于后续的学习很有帮助，重点是理解，完全不需要刻意去记。不记得就回来再看看就行了，用得多了自然就记住了。
官方资料（最权威准确）
我们说过，要了解一个芯片，最准确有效的方法，是查看官方给出的芯片手册等资料。但是初学单片机，直接看芯片手册资料恐怕很难弄明白，尤其是看到一堆英文、陌生的电路、名词术语，如果是我，一定也会抓狂的。但是这里我还是给出一张从Atmel官方的《Atmel 8051 Microcontrollers Hardware Manual》中截取的图片。
给出这张图片并不是为了打击大家学习热情，而是希望大家能明白，我们所见过的各种单片机资料到底是怎么来的，到底是否准确，这一切都可以通过官方资料弄清楚，对于大家以后深入学习一些东西有一定的帮助。
第二功能简介
上图正是官方给出的权威的51单片机IO口结构图。可以看出，单片机的四组IO口内部结构各不相同，原因是有些IO口有第二功能，入门篇里面提到过。
还记得这张管脚图吗？括号中标注的就是IO口的第二功能名称。除了P1以外，每个接口都有第二功能。介绍单片机系统模块时，我提到51单片机有预留扩展存储器的接口，正是图中的P0和P1的第二功能（同时还要用到29、30等管脚）。因为用的不多，涉及知识也比较深入，就不做具体研究了。顺便一提，其实这里我们看到的AD0~AD7，就是用于并行口的。而P3口的第二功能，就包括串口等，后面学到了还会具体介绍。
IO口等效电路
由于深入理解IO口的原理涉及到很多电路甚至微机原理相关知识，这里只做简化介绍，能满足绝大多数情况下的需要。作为普通IO口使用时，四个IO口的工作原理基本一致。
下面的图是从前面图中的P1电路中裁剪出来的，也是我们需要理解的关键。
右边的P1.X表示P1的一个IO口，如P1.0；电阻右边写的英文是内部上拉电阻的意思，之所以叫上拉电阻，是因为电阻的一端接在VCC上。下面的三角形表示接地，相当于GND。除此之外，最关键的一个器件是下面这个。
这个器件的本质是晶体管，起到电子开关的作用（如果想深入了解，可以学习模拟电路相关的知识，或者等到原理篇中介绍）。上面的电路可以大致等效成下图。注意，这样的结构只是一个IO口，整个单片机中有32个这种结构。
图中的R为阻值10k的上拉电阻，S是由前面的晶体管等效的电子开关。蓝色框中的部分在单片机内部。
S的开关状态由CPU控制。当用程序设置P1.0管脚为低电平时，电子开关S闭合。实际上电子开关S闭合时，两端还有很小的电阻。根据分压原理，P1.0上会有一个很低的电压，近似0V，已经可以视为低电平了。当设置管脚为高电平时S断开，P1.0通过10k上拉电阻接到VCC上。如果用电压表测量，因为电压表内阻很大，所以可以得出其电压值为高电平。
IO口的输出：点亮LED
前面介绍了点亮第一个LED的程序和电路。程序如下：
#include
sbit LED = P1^0;
void main()
{
LED = 0;
while(1);
}
电路关键部分如下，VCC通过1k电阻连接到LED正极，LED负极接到P1.0口：
在单片机执行LED=0的时候，电子开关S就由CPU控制而闭合，P1.0上输出低电平。电流通过1k电阻和LED流入P1.0，再经过S流入GND，LED两端有合适的电压于是点亮。结合单片机内部IO口等效电路，整个电路如下图
灌电流与拉电流
在上面的例子中，P1.0输出低电平点亮LED。能不能反过来，P1.0输出高电平点亮LED呢？我们可以考虑电路连接成下面这样，并在程序中编写LED=1。
当执行LED=1时，S断开。电流通过10k上拉电阻R从P1.0流出，并进入LED。由于上拉电阻的阻值太大，电流太小，导致LED不亮，或者亮度很微弱。所以通常不采用这种方法。
这两种方法，前者电流从外部流入单片机内部，我们称之为灌电流接法；后者电流方向相反，称为拉电流接法。对比可以看出，对于51单片机，灌电流接法电流较大，拉电流接法由于受到上拉电阻限制，电流较小。
在实际当中灌电流的最大电流也是有限的，因为电子开关S中能通过的电流有限。根据STC官方的芯片手册，对于STC单片机，建议单个IO口灌电流建议不超过20mA，所有IO口灌电流之和不超过55mA，否则容易烧坏IO口。而拉电流大小只有230uA左右。
上拉电阻/下拉电阻/高阻态
拉电流是从上拉电阻流出来的，能否提高拉电流大小呢？答案是可以。我们只需要在单片机外部再添加一个上拉电阻，就可以增大拉电流，并且能成功点亮LED，如下图所示。
图中的电路，相当于R和R0并联了，整个上拉电阻的阻值减小了。但是这样做有个缺陷。在这个电路中，当单片机输出低电平时，S闭合，此时电流从VCC通过上拉电阻和S流入GND。此时虽然LED熄灭了，但是却有较大电流通过上拉电阻而浪费掉。所以上拉电阻过大，会导致驱动力不足，而上拉电阻过小，又会在输出低电平时浪费电能。
上拉电阻的作用是什么呢？对电路了解多一点的人很快能发现，如果没有上拉电阻，IO口就无法输出高电平，也就是下图这样的。开关闭合时能输出低电平，但是开关断开时，P1.0就悬空了，什么也没连接。这时IO口的电压就是不确定的了，这种状态无法判断它是低电平还是高电平，叫做高阻态。很巧的是，单片机的P0口确实就没有上拉电阻，而其他三组IO口都有上拉电阻。所以当P0输出高电平，并且没有外接上拉电阻时，就是高阻态，不能正常输出高电平。后面我会通过具体例子来让大家感受一下高阻态。
备注1：后续文章会详细分析高阻态。
备注2：虽然P1.0似乎是同时连接到CPU的IO输入端了，即图中写着“输入”的绿色箭头，但是这部分电路只有在读取管脚输入的时候才会导通，并且是单向的，可以想象成内阻较大的电压表输入端。
备注3：如图中所示，51单片机IO口工作在普通IO口状态下，电子开关是用晶体管实现的（包括三极管和MOS管两种）。图中实现的这种电平输出结构，如果是MOS管实现，则被称为漏极开路输出(OD=Open Drain，或简称为“开漏”)，漏极是MOS管的一个管脚，对应于图中S和R的接点处。而如果是三极管实现，则称为集电极开路输出(OC=Open Collector)，两者原理基本一致。后续文章会介绍三极管。
上拉电阻的存在，将原本的高阻态转变成了高电平，也因此得名。和上拉电阻相对应的，还有下拉电阻，区别在于下拉电阻另一端不是连接VCC而是接到GND。
IO口的输入
IO口之所以叫IO口（IO=Input/Output），意味着它既可以输出又可以输入。前面讲的都是IO口的输出，下面讲IO口的输入。IO口的输出我们通过LED来介绍，而IO口的输入我们则通过开关来说明。在很多单片机中，IO的输入和输出需要通过电路切换，而对于51单片机来说，输入和输出使用的是同一套电路，也就是上面我们分析的电路。
图中的S0是一个单刀双掷开关，往上切换可以将P1.0接到VCC，往下切换可以接到GND。读取时CPU会通过特定电路获取图中橙色导线上的电平。我们想要实现的效果是，让CPU读取P1.0端口的电平，从而获得开关S0的状态。
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