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。

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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