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单片机小白学步(20) IO口原理

单片机小白学步 1,593℃ 3 3年前 (2014-11-13)

2014-11-25更新:在“上拉电阻/下拉电阻/高阻态”一节中添加了三条备注

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 <reg52.h>

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。

27094082 拷贝.png

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。初学时具体原理不需要研究的很透彻,下面一段对此进行分析,仅供有兴趣的读者参考。

对照官方的完整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,可以直接忽略,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,两个晶体管都可以工作。如果上面的晶体管断开,下面的导通,就输出低电平;反之上面的导通下面的断开,就输出高电平并且不需要上拉电阻;如果两个晶体管都断开,则可以作为输入,并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

如果把两个单片机IO口连接在一起会发生什么现象呢?下面就是我们的电路图。

当设置两个IO口都输出低电平,即S和S1都闭合时,总体是低电平;而当设置其中一个IO口输出低电平另一个输出高电平时,即S或S1闭合,此时两个IO口上都会呈现低电平。只有当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。

可以简单表述成: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,如果是很多的这样的IO口连在一起,只有所有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,主要就是下面几点。内容有点多,但是实际上常用的只有其中的几点。再次强调,不需要刻意去记,明白了原理,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,另外需要上拉电阻

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

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
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/计算机系统设计的工程思想
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,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,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(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,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,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解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,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,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,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论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。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。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,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.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另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

其他问题

如果觉得我写的对你有帮助,欢迎多多反馈,包括写的不正确、不合理、不太明白都可以指出来,这样方便我对其进行完善。

更多可参见:《如何以学习单片机为契机,逐步成为优秀的工程师》
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评论3条

  1. tqk1993 回复

    回过头来看确实收获不少。

  2. hixin 回复

    图配得好精致啊。以前学的时候只是单纯的记得读取IO口前,要先设置输出高电平。看完文章瞬间清晰了许多。加油啊!

    1. jzj1993 回复

      独创的IO口等效模型 :razz: :idea:

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