单片机I/O口的结构的详解与说明

　　标准51内核单片机的IO口：

　　P0口则为双向三态输入输出口

　　P1\P2\P3是准双向IO口，没有方向控制，做输入时需要先往端口数据寄存器写1才行（也可看作此时为输出，端口输出高电平）。

　　初始状态和复位状态下准双向口为1，双向口为高阻状态

　　P0口：双向8位三态I/O口

　　P1口：准双向8位I/O口

　　P2口：准双向8位I/O口

　　P3口：准双向8位I/O口

　　这里特别要主要准双向与双向三态I/O的区别：

　　P1口，P2口，P3口是3个8位准双向的I/O口，各口线在片内均有固定的上拉电阻，当这三个准双向I/O口作输入口使用时，要想该口先写1，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。

　　而双向口P0口线内无固定上拉电阻，由两个MOS管串接，既可开漏输出（开漏输出，本博客有解释）有可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。

　　＂准＂就是＂基本上＂的意思．

　　P0口是双向指的是它被用作地址／数据端口时，只有在这个时候，P0口才处于两个开关管推挽状态，当两个开关管都关闭时，才会出现高阻状态．

　　当P0口用于一般I/O口时，内部接Vcc的那个开关管是与引脚（端口）脱离联系的，这个时候，只有拉地的那个开关管其作用，P0口作为输出，是必须外接上拉电阻的，不然就无法输出高电平；如果P0口作为输入，则必须先对端口写１，使拉地的开关管断开，这个时候，如果不接上拉电阻，则是高阻状态，就是一个双向口，如果接上拉电阻，则本身输出高电平，对输入信号的逻辑无影响（注意是对逻辑无影响，对实际参数有无影响我不确定，但是我认为是有的）．

　　双向与准双向，根本原则是双向包含了高阻这个状态，而不在于是否需要先写１或者不写，P1~P3口因为有内部上拉电阻，因此无论如何不是双向；P０口内部无上拉电阻，在处于数据／地址功能时，自动完成３态的转换，是双向，处于一般I/O口时，如果不接外部上拉，而且先向端口写了１，那么就处于高阻状态，此时，它也是一个人为的双向口，这与它处于地址／数据功能时的自动双向有区别，以及与P1~P3处于输入时输出锁存器为1是有区别的。

　　简单说：

　　（1） P0口无固定上拉电阻。P1，P2，P3有。

　　（2） 就是P0口作为输入输出口时，为了能让内部1能正确输出，要接上拉电阻（如果不接的话，内部D=1的时候，Q非=0，V1被截止，V1，V2都处于截止状态，不能正确反映1，所以需要上拉电阻。），在读取输入的时候，因为此时P0口是作为一个准双向口，所以得先向外写1，不然的话，如果锁存器曾经锁存过0，则V1被导通，PO.x被钳制在低电平，不能正确反映输入。

　　（3）P0口作为地址/数据口的时候，由于访问外部存储器期间，CPU会自动向PO口的锁存器写入0FFH，对用户而言，PO口此时才是真正的三态双向口。

　　单片机I/O口的结构的详解

　　

　　我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极c跟发射极e之间相当于断开），所以5v电源通过1k电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

　　我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。

　　再看图三。图三中那个1k的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1k电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的漏电流），所以流过的电流为0，因此在1k电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5v了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的（即1kω），如果接一个电阻为r的负载，通过分压计算，就可以算得最后的输出电压为5*r/（r+1000）伏，即5/（1+1000/r）伏。所以，如果要达到一定的电压的话，r就不能太小。如果r真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1k的上拉电阻来增加驱动能力。但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。

　　如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端，这样就是一个io口了（51的io口就是这样的结构，其中p0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉），当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开关断开，而对于p0口来说，就是高阻态了。

　　对于漏极开路（od）输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，oc就变成了od，原理分析是一样的。

　　另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起oc或者od来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的oc或od输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，avr单片机的一些io口就是这种结构。

　　.AVR单片机IO口的结构分析

　　AVR的IO是真正双向IO结构，由于大部分网友都是从标准51转过来的，受标准51的准双向IO和布尔操作概念影响，没能掌握AVR的IO操作，所以有必要撰文说明一下，其实采用真正双向IO结构的新型MCU很多，常用的有增强型51，PIC，AVR等。

　　先简单的回顾一下标准51的准双向IO结构

　　

　　这种准双向IO结构的特点是

　　1 输出结构类似 OC门，输出低电平时，内部NMOS导通，驱动能力较强（800uA）；输出高电平靠内部上拉电阻，驱动能力弱（60uA）。

　　2 永远有内部电阻上拉（P0口除外），高电平输出电流能力很弱，所以即使IO口长时间短路到地也不会损坏IO口

　　（同理，IO口低电平输出能力较强，作低电平输出时不能长时间短路到VCC）

　　3 作输入时，因为OC门有“线与”特性，必须把IO口设为高电平（所以按键多为共地接法）

　　4 作输出时，输出低电平可以推动LED（也是很弱的），输出高电平通常需要外接缓冲电路（所以LED多为共阳接法）

　　5 软件模拟 OC结构的总线反而比较方便-----例如 IIC总线

　　* P0口比较特殊，做外部总线时，是推挽输出，做普通IO时没有内部上拉电阻，所以P0口做按键输入需要外接上拉电阻。

　　* OC门：三极管的叫集电极开路，场效应管的叫漏极开路，简称开漏输出。具备“线与”能力，有0得0。

　　* 为什么设计成输出时高电平弱，低电平强----是考虑了当年流行的TTL器件输入特性

　

　　相信我们大多数人都接触过51单片机，51单片机的I/O口是准双向I/O口。其实这种说法是不严谨的，我们知道，51单片机有4个I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，这4个I/O口的结构并不完全一致，其中P0口是标准的双向I/O口，而P1、P2、P3则是准双向I/O口。

　　关于准双向I/O口和双向I/O口的区别请看另一篇文章“准双向I/O口和标准双向I/O口的区别”

　　AVR单片机的I/O口是标准的双向I/O口，它的IO结构就就比51的I/O口复杂多了，单是控制端口的寄存器就有3个 PORTx（数据寄存器）、DDRx（数据方向寄存器）、PINx（端口输入引脚）；另外还有一个SFIOR（特殊功能I/O寄存器），这个寄存器中的PUD位控制全部I/O口的上拉电阻是允许还是被禁止。