单片机小白学步(20) IO口原理

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，电流较校

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。

当S断开时，CPU通过获取P1.0上的电平可以知道外部开关S0的状态，从而执行相应的操作。

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。于是我们添加了电阻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无法判断外部开关S0的状态，如下图。

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。这个规则适用于所有IO口。

类似的，还可以读取单刀单掷开关（或按键开关）的状态，读取前先设置输出高电平，电路图如下。

上面这种电路需要依赖上拉电阻才能工作。P0口由于没有上拉电阻，需要在外部添加一个上拉电阻（因为如果没有上拉电阻，并且S和S0都断开时，IO口变成高阻态，读取的电平结果不确定，于是无法正确判断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，可以输出高低电平；

2、在输入模式下，如果没有接外部电路，应呈现高阻态。

对于51单片机的P1、P2、P3口，由于有内部上拉电阻，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，如果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口如果工作在第二功能状态下，则是双向IO口