单片机小白学步系列（二十） IO口原理

IO口操作是单片机实践中最基本最重要的一个知识，本篇花了比較长的篇幅介绍IO口的原理。

也是查阅了不少资料，确保内容正确无误，花了非常长时间写的。

IO口原理原本须要涉及非常多深入的知识，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口相关的问题会有非常大的帮助。

IO口等效模型是本人独创的方法。通过此模型，能有效的减少对IO口内部结构理解的难度。而且经查阅资料确认，这样的模型和实际工作原理基本一致。

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前面说了非常多东西，不少人也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基本的手段，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。这些知识对于兴许的学习非常有帮助。重点是理解，全然不须要刻意去记。

不记得就回来再看看即可了。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冊等资料。可是初学单片机，直接看芯片手冊资料恐怕非常难弄明确，尤其是看到一堆英文、陌生的电路、名词术语。假设是我，一定也会抓狂的。

可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。

给出这张图片并非为了打击大家学习热情，而是希望大家能明确。我们所见过的各种单片机资料究竟是怎么来的，究竟是否准确，这一切都能够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。

第二功能简单介绍

上图正是官方给出的权威的51单片机IO口结构图。

能够看出，单片机的四组IO口内部结构各不同样。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？括号里标注的就是IO口的第二功能名称。

除了P1以外，每一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（同一时候还要用到29、30等管脚）。

由于用的不多，涉及知识也比較深入，就不做详细研究了。顺便一提，事实上这里我们看到的AD0~AD7，就是用于并行口的。而P3口的第二功能，就包含串口等，后面学到了还会详细介绍。

IO口等效电路

因为深入理解IO口的原理涉及到非常多电路甚至微机原理相关知识，这里仅仅做简化介绍，能满足绝大多数情况下的须要。

作为普通IO口使用时。四个IO口的工作原理基本一致。

以下的图是从前面图中的P1电路中裁剪出来的，也是我们须要理解的关键。

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。是由于电阻的一端接在VCC上。

以下的三角形表示接地，相当于GND。

除此之外，最关键的一个器件是以下这个。

这个器件的本质是晶体管，起到电子开关的作用（假设想深入了解，能够学习模拟电路相关的知识，或者等到原理篇中介绍）。上面的电路能够大致等效成下图。注意。这种结构仅仅是一个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，两端还有非常小的电阻。

依据分压原理。P1.0上会有一个非常低的电压，近似0V，已经能够视为低电平了。

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。假设用电压表測量。由于电压表内阻非常大。所以能够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。程序例如以下：

#include <reg52.h>

sbit LED = P1^0;

void main()

{

LED = 0;

while(1);

}

电路关键部分例如以下，VCC通过1k电阻连接到LED正极，LED负极接到P1.0口：

在单片机运行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，整个电路例如以下图

灌电流与拉电流

在上面的样例中，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？我们能够考虑电路连接成以下这样，并在程序中编写LED=1。

当运行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。因为上拉电阻的阻值太大。电流太小，导致LED不亮，或者亮度非常微弱。

所以通常不採用这样的方法。

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。

对照能够看出，对于51单片机。灌电流接法电流较大，拉电流接法因为受到上拉电阻限制。电流较小。

在实际其中灌电流的最大电流也是有限的，由于电子开关S中能通过的电流有限。

依据STC官方的芯片手冊，对于STC单片机，建议单个IO口灌电流建议不超过20mA。全部IO口灌电流之和不超过55mA，否则easy烧坏IO口。

而拉电流大小仅仅有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，是否能提高拉电流大小呢？答案是能够。我们仅仅须要在单片机外部再加入一个上拉电阻。就能够增大拉电流，而且能成功点亮LED，例如以下图所看到的。

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。

可是这样做有个缺陷。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。此时尽管LED熄灭了，可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非常快能发现，假设没有上拉电阻。IO口就无法输出高电平，也就是下图这种。开关闭合时能输出低电平，可是开关断开时，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，这种状态无法推断它是低电平还是高电平，叫做高阻态。非常巧的是。单片机的P0口确实就没有上拉电阻，而其它三组IO口都有上拉电阻。

所以当P0输出高电平，而且没有外接上拉电阻时，就是高阻态，不能正常输出高电平。后面我会通过详细样例来让大家感受一下高阻态。

注：尽管P1.0似乎是同一时候连接到CPU的IO输入端了，即图中写着“输入”的绿色箭头，可是这部分电路仅仅有在读取管脚输入的时候才会导通，而且是单向的。

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。和上拉电阻相相应的。还有下拉电阻，差别在于下拉电阻还有一端不是连接VCC而是接到GND。

IO口的输入

IO口之所以叫IO口（IO=Input/Output），意味着它既能够输出又能够输入。前面讲的都是IO口的输出，以下讲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。在非常多单片机中。IO的输入和输出须要通过电路切换，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。往上切换能够将P1.0接到VCC，往下切换能够接到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P1.0port的电平，从而获得开关S0的状态。

当S断开时。CPU通过获取P1.0上的电平能够知道外部开关S0的状态，从而运行对应的操作。

而S闭合时，S0往下切换，P1.0确实是低电平。

而S保持闭合且S0往上切换时，VCC通过S0和S直接接到GND就短路了。此时电子开关S通过大量电流，可能会烧坏单片机。于是我们加入了电阻R0。S仍然保持闭合，S0往上切换。此时P1.0仍然是低电平，于是CPU无法推断外部开关S0的状态，例如以下图。

总结起来就是在读取IO口电平时，应先设置输出高电平（即断开S）。再读取数据。这个规则适用于全部IO口。

类似的，还能够读取单刀单掷开关（或按键开关）的状态。读取前先设置输出高电平，电路图例如以下。

上面这样的电路须要依赖上拉电阻才干工作。P0口由于没有上拉电阻。须要在外部加入一个上拉电阻（由于假设没有上拉电阻，而且S和S0都断开时，IO口变成高阻态。读取的电平结果不确定，于是无法正确推断S0的开关状态）。

双向IO口/准双向IO口

标准双向IO口的特点有两条：

1、在输出模式下。能够输出高低电平；

2、在输入模式下，假设没有接外部电路。应呈现高阻态。

对于51单片机的P1、P2、P3口，因为有内部上拉电阻。输入模式下不可能出现高阻态，所以称之为准双向IO口。

而P0口作为IO口工作时，假设不加上拉电阻就无法输出高电平；而加了上拉电阻，输入时又不会出现高阻态。所以也是准双向IO口。

备注1：51单片机的P0口假设工作在第二功能状态下，则是双向IO口。初学时详细原理不须要研究的非常透彻。以下一段对此进行分析，仅供有兴趣的读者參考。

对比官方的完整IO口结构图。P0口内部有上下两个晶体管。当P0口工作在IO口模式下。上面那个晶体管断开，能够直接忽略。前面的等效电路就没有考虑上面那个晶体管。而当P0口工作在第二功能状态下，两个晶体管都能够工作。

假设上面的晶体管断开。以下的导通，就输出低电平。反之上面的导通以下的断开。就输出高电平而且不须要上拉电阻。假设两个晶体管都断开，则能够作为输入，而且在没有外界电路时呈现高阻态。所以是双向IO口。

备注2：关于双向IO口和准双向IO口的概念存在一定争议，这里的介绍综合了网上多方面的观点，被多数人所接受。

线与逻辑

假设把两个单片机IO口连接在一起会发生什么现象呢？以下就是我们的电路图。

当设置两个IO口都输出低电平。即S和S1都闭合时，整体是低电平。而当设置当中一个IO口输出低电平还有一个输出高电平时，即S或S1闭合，此时两个IO口上都会呈现低电平。仅仅有当P1.0、P1.1都输出高电平，即S和S1都断开时，才会呈现高电平。

能够简单表述成：两个IO口连接在一起。仅当P1.0与P1.1都设置输出高电平时，两者接线上才会呈现高电平。这就是所谓的线与逻辑。不仅是两个，假设是非常多的这种IO口连在一起，仅仅有全部IO都设置输出高电平。接线上才会呈现高电平。

线与逻辑会在后面的矩阵键盘中使用到。

总结

最后总结起来，主要就是以下几点。内容有点多。可是实际上经常使用的仅仅有当中的几点。

再次强调，不须要刻意去记，明确了原理，用多了自然就记住了。

1、灌电流比拉电流能通过更大的电流；点亮LED一般用灌电流方式

2、上拉电阻越小，拉电流输出能力越大，但输出低电平时越费电

3、读取IO口前，要先设置输出高电平

4、P0作为输出，需外接上拉电阻

5、按键开关作为输入时，接在IO口和GND之间，另外须要上拉电阻

6、51单片机的四个IO口在普通IO状态下都是准双向口

7、51单片机IO口遵从线与逻辑

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《单片机小白学步》系列教程（原名《单片机入门指南》）介绍

本系列教程从最主要的入门知识開始。逐步深入介绍单片机系统设计。内容包含：

1、入门篇：单片机等基本概念、各种电子设计基本知识

2、思想篇：单片机/计算机系统设计的project思想

3、学习篇：单片机学习过程、方法和技巧，以51单片机为例介绍，并推广到其它单片机

4、应用篇：遵循规范的project方法，设计单片机系统实例（计划设计的系统有：计算器、电子表、password锁、简易手机。详细看有没有时间再确定）

5、原理篇：从模拟电路、数字电路開始，逐步深入介绍单片机/计算机系统原理。并自行设计简易的CPU（因为个人水平有限，这部分没有把握写好。详细内容视情况而定）

教程特点

1、技术知识点全面。从入门到精通

包括了各种基本知识，尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等。在非常多同类书籍教程中都被忽略了。同一时候也包括了一些深入的知识，包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍，有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。

通过51介绍完单片机的基本知识。我会再把430进行简要介绍，尤其是对照两者之间的优缺点。让大家非常快感受到430的巨大优势。而学习51正好为高速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识，还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中，介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇。而学习篇仅仅是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧。怎样理解一些模块功能，怎么看时序图，严格遵守project思想进行编程。程序发生了错误怎么调试等等。

而在思想篇中会整体介绍非常多重要的思想，为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中，涉及大量的知识，并且非常多知识之间相互依赖，关联非常强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比較明白的规划。尽最大可能符合人的认知过程。

可是实际规划时发现，不管怎么调整知识的顺序，总有一些知识之间相互依赖。关系复杂。

比如開始讲IO口的时候肯定会提到寄存器，而寄存器这个词的理解，须要深厚的背景知识。

可是这些背景知识在没有进行实践的时候也非常难理解。

刚開始学习的人经常就会在这种地方感觉疑惑不解，不知所措。

而每次遇到类似这种知识，我会向刚開始学习的人指出，应该怎样对待。

这个知识是应该自己去学习补充。还是等到学完原理篇再做理解，而如今又应该怎么去看待这个名词。

另外，在整个教程的学习前。须要掌握一定的C语言等基础知识，详细可參考教程第〇篇《序》中的相关说明

http://www.hainter.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂，而不会用一堆新手不懂的词语去解释还有一个不懂的词语。可是受限于个人语言表达能力，可能有些地方表述的比較繁琐。或者不清楚，希望大家可以帮忙指出。

其它问题

假设认为我写的对你有帮助。欢迎多多反馈。包含写的不对、不合理、不太明确都能够指出来。这样方便我对其进行完好。

很多其它可參见：《怎样以学习单片机为契机。逐步成为优秀的project师》

http://www.hainter.com/mcu-engineer

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