IO口操作是單片機(jī)實(shí)踐中最基本最重要的一個(gè)知識(shí),本篇花了比較長的篇幅介紹IO口的原理。也是查閱了不少資料,確保內(nèi)容正確無誤,花了很長時(shí)間寫的。IO口原理原本需要涉及很多深入的知識(shí),而這里盡最大可能做了簡(jiǎn)化方便理解。這樣對(duì)于以后解決各種IO口相關(guān)的問題會(huì)有很大的幫助。
IO口等效模型是本人獨(dú)創(chuàng)的方法,通過此模型,能有效的降低對(duì)IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)理解的難度。并且經(jīng)查閱資料確認(rèn),這種模型和實(shí)際工作原理基本一致。
前面說了很多東西,不少人或許已經(jīng)迫不及待的想要實(shí)際操作單片機(jī)了。IO口作為單片機(jī)與外界通信最主要的手段,是單片機(jī)學(xué)習(xí)最基本也最重要的一個(gè)知識(shí)。前面我們編程實(shí)現(xiàn)了IO口點(diǎn)亮LED的實(shí)驗(yàn),本篇繼續(xù)對(duì)IO口相關(guān)知識(shí)進(jìn)行介紹。
為了更好的學(xué)習(xí)IO口操作,有必要了解一下IO口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)概念。這些知識(shí)對(duì)于后續(xù)的學(xué)習(xí)很有幫助,重點(diǎn)是理解,完全不需要刻意去記。不記得就回來再看看就行了,用得多了自然就記住了。
我們說過,要了解一個(gè)芯片,最準(zhǔn)確有效的方法,是查看官方給出的芯片手冊(cè)等資料。但是初學(xué)單片機(jī),直接看芯片手冊(cè)資料恐怕很難弄明白,尤其是看到一堆英文、陌生的電路、名詞術(shù)語,如果是我,一定也會(huì)抓狂的。但是這里我還是給出一張從Atmel官方的《Atmel 8051 Microcontrollers Hardware Manual》中截取的圖片。
給出這張圖片并不是為了打擊大家學(xué)習(xí)熱情,而是希望大家能明白,我們所見過的各種單片機(jī)資料到底是怎么來的,到底是否準(zhǔn)確,這一切都可以通過官方資料弄清楚,對(duì)于大家以后深入學(xué)習(xí)一些東西有一定的幫助。
第二功能簡(jiǎn)介
上圖正是官方給出的權(quán)威的51單片機(jī)IO口結(jié)構(gòu)圖。可以看出,單片機(jī)的四組IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同,原因是有些IO口有第二功能,入門篇里面提到過。
還記得這張管腳圖嗎?括號(hào)中標(biāo)注的就是IO口的第二功能名稱。除了P1以外,每個(gè)接口都有第二功能。介紹單片機(jī)系統(tǒng)模塊時(shí),我提到51單片機(jī)有預(yù)留擴(kuò)展存儲(chǔ)器的接口,正是圖中的P0和P1的第二功能(同時(shí)還要用到29、30等管腳)。因?yàn)橛玫牟欢啵婕爸R(shí)也比較深入,就不做具體研究了。順便一提,其實(shí)這里我們看到的AD0~AD7,就是用于并行口的。而P3口的第二功能,就包括串口等,后面學(xué)到了還會(huì)具體介紹。
IO口等效電路
由于深入理解IO口的原理涉及到很多電路甚至微機(jī)原理相關(guān)知識(shí),這里只做簡(jiǎn)化介紹,能滿足絕大多數(shù)情況下的需要。作為普通IO口使用時(shí),四個(gè)IO口的工作原理基本一致。
下面的圖是從前面圖中的P1電路中裁剪出來的,也是我們需要理解的關(guān)鍵。
右邊的P1.X表示P1的一個(gè)IO口,如P1.0;電阻右邊寫的英文是內(nèi)部上拉電阻的意思,之所以叫上拉電阻,是因?yàn)殡娮璧囊欢私釉赩CC上。下面的三角形表示接地,相當(dāng)于GND。除此之外,最關(guān)鍵的一個(gè)器件是下面這個(gè)。
這個(gè)器件的本質(zhì)是晶體管,起到電子開關(guān)的作用(如果想深入了解,可以學(xué)習(xí)模擬電路相關(guān)的知識(shí),或者等到原理篇中介紹)。上面的電路可以大致等效成下圖。注意,這樣的結(jié)構(gòu)只是一個(gè)IO口,整個(gè)單片機(jī)中有32個(gè)這種結(jié)構(gòu)。
圖中的R為阻值10k的上拉電阻,S是由前面的晶體管等效的電子開關(guān)。藍(lán)色框中的部分在單片機(jī)內(nèi)部。
S的開關(guān)狀態(tài)由CPU控制。當(dāng)用程序設(shè)置P1.0管腳為低電平時(shí),電子開關(guān)S閉合。實(shí)際上電子開關(guān)S閉合時(shí),兩端還有很小的電阻。根據(jù)分壓原理,P1.0上會(huì)有一個(gè)很低的電壓,近似0V,已經(jīng)可以視為低電平了。當(dāng)設(shè)置管腳為高電平時(shí)S斷開,P1.0通過10k上拉電阻接到VCC上。如果用電壓表測(cè)量,因?yàn)殡妷罕韮?nèi)阻很大,所以可以得出其電壓值為高電平。
IO口的輸出:點(diǎn)亮LED
前面介紹了點(diǎn)亮第一個(gè)LED的程序和電路。程序如下:
#include
sbit LED = P1^0;
void main()
{
? ? LED = 0;
? ? while(1);
}
電路關(guān)鍵部分如下,VCC通過1k電阻連接到LED正極,LED負(fù)極接到P1.0口:
在單片機(jī)執(zhí)行LED=0的時(shí)候,電子開關(guān)S就由CPU控制而閉合,P1.0上輸出低電平。電流通過1k電阻和LED流入P1.0,再經(jīng)過S流入GND,LED兩端有合適的電壓于是點(diǎn)亮。結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部IO口等效電路,整個(gè)電路如下圖
灌電流與拉電流
在上面的例子中,P1.0輸出低電平點(diǎn)亮LED。能不能反過來,P1.0輸出高電平點(diǎn)亮LED呢?我們可以考慮電路連接成下面這樣,并在程序中編寫LED=1。
當(dāng)執(zhí)行LED=1時(shí),S斷開。電流通過10k上拉電阻R從P1.0流出,并進(jìn)入LED。由于上拉電阻的阻值太大,電流太小,導(dǎo)致LED不亮,或者亮度很微弱。所以通常不采用這種方法。
這兩種方法,前者電流從外部流入單片機(jī)內(nèi)部,我們稱之為灌電流接法;后者電流方向相反,稱為拉電流接法。對(duì)比可以看出,對(duì)于51單片機(jī),灌電流接法電流較大,拉電流接法由于受到上拉電阻限制,電流較小。
在實(shí)際當(dāng)中灌電流的最大電流也是有限的,因?yàn)殡娮娱_關(guān)S中能通過的電流有限。根據(jù)STC官方的芯片手冊(cè),對(duì)于STC單片機(jī),建議單個(gè)IO口灌電流建議不超過20mA,所有IO口灌電流之和不超過55mA,否則容易燒壞IO口。而拉電流大小只有230uA左右。
上拉電阻/下拉電阻/高阻態(tài)
拉電流是從上拉電阻流出來的,能否提高拉電流大小呢?答案是可以。我們只需要在單片機(jī)外部再添加一個(gè)上拉電阻,就可以增大拉電流,并且能成功點(diǎn)亮LED,如下圖所示。
圖中的電路,相當(dāng)于R和R0并聯(lián)了,整個(gè)上拉電阻的阻值減小了。但是這樣做有個(gè)缺陷。在這個(gè)電路中,當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí),S閉合,此時(shí)電流從VCC通過上拉電阻和S流入GND。此時(shí)雖然LED熄滅了,但是卻有較大電流通過上拉電阻而浪費(fèi)掉。所以上拉電阻過大,會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不足,而上拉電阻過小,又會(huì)在輸出低電平時(shí)浪費(fèi)電能。
上拉電阻的作用是什么呢?對(duì)電路了解多一點(diǎn)的人很快能發(fā)現(xiàn),如果沒有上拉電阻,IO口就無法輸出高電平,也就是下圖這樣的。開關(guān)閉合時(shí)能輸出低電平,但是開關(guān)斷開時(shí),P1.0就懸空了,什么也沒連接。這時(shí)IO口的電壓就是不確定的了,這種狀態(tài)無法判斷它是低電平還是高電平,叫做高阻態(tài)。很巧的是,單片機(jī)的P0口確實(shí)就沒有上拉電阻,而其他三組IO口都有上拉電阻。所以當(dāng)P0輸出高電平,并且沒有外接上拉電阻時(shí),就是高阻態(tài),不能正常輸出高電平。后面我會(huì)通過具體例子來讓大家感受一下高阻態(tài)。
備注1:后續(xù)文章會(huì)詳細(xì)分析高阻態(tài)。
備注2:雖然P1.0似乎是同時(shí)連接到CPU的IO輸入端了,即圖中寫著“輸入”的綠色箭頭,但是這部分電路只有在讀取管腳輸入的時(shí)候才會(huì)導(dǎo)通,并且是單向的,可以想象成內(nèi)阻較大的電壓表輸入端。
備注3:如圖中所示,51單片機(jī)IO口工作在普通IO口狀態(tài)下,電子開關(guān)是用晶體管實(shí)現(xiàn)的(包括三極管和MOS管兩種)。圖中實(shí)現(xiàn)的這種電平輸出結(jié)構(gòu),如果是MOS管實(shí)現(xiàn),則被稱為漏極開路輸出(OD=Open Drain,或簡(jiǎn)稱為“開漏”),漏極是MOS管的一個(gè)管腳,對(duì)應(yīng)于圖中S和R的接點(diǎn)處。而如果是三極管實(shí)現(xiàn),則稱為集電極開路輸出(OC=Open Collector),兩者原理基本一致。后續(xù)文章會(huì)介紹三極管。
上拉電阻的存在,將原本的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成了高電平,也因此得名。和上拉電阻相對(duì)應(yīng)的,還有下拉電阻,區(qū)別在于下拉電阻另一端不是連接VCC而是接到GND。
IO口的輸入
IO口之所以叫IO口(IO=Input/Output),意味著它既可以輸出又可以輸入。前面講的都是IO口的輸出,下面講IO口的輸入。IO口的輸出我們通過LED來介紹,而IO口的輸入我們則通過開關(guān)來說明。在很多單片機(jī)中,IO的輸入和輸出需要通過電路切換,而對(duì)于51單片機(jī)來說,輸入和輸出使用的是同一套電路,也就是上面我們分析的電路。
圖中的S0是一個(gè)單刀雙擲開關(guān),往上切換可以將P1.0接到VCC,往下切換可以接到GND。讀取時(shí)CPU會(huì)通過特定電路獲取圖中橙色導(dǎo)線上的電平。我們想要實(shí)現(xiàn)的效果是,讓CPU讀取P1.0端口的電平,從而獲得開關(guān)S0的狀態(tài)。
當(dāng)S斷開時(shí),CPU通過獲取P1.0上的電平可以知道外部開關(guān)S0的狀態(tài),從而執(zhí)行相應(yīng)的操作。
而S閉合時(shí),S0往下切換,P1.0確實(shí)是低電平。而S保持閉合且S0往上切換時(shí),VCC通過S0和S直接接到GND就短路了。此時(shí)電子開關(guān)S通過大量電流,可能會(huì)燒壞單片機(jī)。于是我們添加了電阻R0。S仍然保持閉合,S0往上切換。此時(shí)P1.0仍然是低電平,于是CPU無法判斷外部開關(guān)S0的狀態(tài),如下圖。
總結(jié)起來就是在讀取IO口電平時(shí),應(yīng)先設(shè)置輸出高電平(即斷開S),再讀取數(shù)據(jù)。這個(gè)規(guī)則適用于所有IO口。
類似的,還可以讀取單刀單擲開關(guān)(或按鍵開關(guān))的狀態(tài),讀取前先設(shè)置輸出高電平,電路圖如下。
上面這種電路需要依賴上拉電阻才能工作。P0口由于沒有上拉電阻,需要在外部添加一個(gè)上拉電阻(因?yàn)槿绻麤]有上拉電阻,并且S和S0都斷開時(shí),IO口變成高阻態(tài),讀取的電平結(jié)果不確定,于是無法正確判斷S0的開關(guān)狀態(tài))。
雙向IO口/準(zhǔn)雙向IO口
標(biāo)準(zhǔn)雙向IO口的特點(diǎn)有兩條:
1、在輸出模式下,可以輸出高低電平;
2、在輸入模式下,如果沒有接外部電路,應(yīng)呈現(xiàn)高阻態(tài)。
對(duì)于51單片機(jī)的P1、P2、P3口,由于有內(nèi)部上拉電阻,輸入模式下不可能出現(xiàn)高阻態(tài),所以稱之為準(zhǔn)雙向IO口。而P0口作為IO口工作時(shí),如果不加上拉電阻就無法輸出高電平;而加了上拉電阻,輸入時(shí)又不會(huì)出現(xiàn)高阻態(tài),所以也是準(zhǔn)雙向IO口。
備注1:51單片機(jī)的P0口如果工作在第二功能狀態(tài)下,則是雙向IO口。初學(xué)時(shí)具體原理不需要研究的很透徹,下面一段對(duì)此進(jìn)行分析,僅供有興趣的讀者參考。
對(duì)照官方的完整IO口結(jié)構(gòu)圖,P0口內(nèi)部有上下兩個(gè)晶體管。當(dāng)P0口工作在IO口模式下,上面那個(gè)晶體管斷開,可以直接忽略,前面的等效電路就沒有考慮上面那個(gè)晶體管。而當(dāng)P0口工作在第二功能狀態(tài)下,兩個(gè)晶體管都可以工作。如果上面的晶體管斷開,下面的導(dǎo)通,就輸出低電平;反之上面的導(dǎo)通下面的斷開,就輸出高電平并且不需要上拉電阻;如果兩個(gè)晶體管都斷開,則可以作為輸入,并且在沒有外界電路時(shí)呈現(xiàn)高阻態(tài)。所以是雙向IO口。
備注2:關(guān)于雙向IO口和準(zhǔn)雙向IO口的概念存在一定爭(zhēng)議,這里的介紹綜合了網(wǎng)上多方面的觀點(diǎn),被多數(shù)人所接受。
線與邏輯
如果把兩個(gè)單片機(jī)IO口連接在一起會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢?下面就是我們的電路圖。
當(dāng)設(shè)置兩個(gè)IO口都輸出低電平,即S和S1都閉合時(shí),總體是低電平;而當(dāng)設(shè)置其中一個(gè)IO口輸出低電平另一個(gè)輸出高電平時(shí),即S或S1閉合,此時(shí)兩個(gè)IO口上都會(huì)呈現(xiàn)低電平。只有當(dāng)P1.0、P1.1都輸出高電平,即S和S1都斷開時(shí),才會(huì)呈現(xiàn)高電平。
可以簡(jiǎn)單表述成:兩個(gè)IO口連接在一起,僅當(dāng)P1.0與P1.1都設(shè)置輸出高電平時(shí),兩者接線上才會(huì)呈現(xiàn)高電平。這就是所謂的線與邏輯。不僅是兩個(gè),如果是很多的這樣的IO口連在一起,只有所有IO都設(shè)置輸出高電平,接線上才會(huì)呈現(xiàn)高電平。線與邏輯會(huì)在后面的矩陣鍵盤中使用到。
總結(jié)
最后總結(jié)起來,主要就是下面幾點(diǎn)。內(nèi)容有點(diǎn)多,但是實(shí)際上常用的只有其中的幾點(diǎn)。再次強(qiáng)調(diào),不需要刻意去記,明白了原理,用多了自然就記住了。
1、灌電流比拉電流能通過更大的電流;點(diǎn)亮LED一般用灌電流方式
2、上拉電阻越小,拉電流輸出能力越大,但輸出低電平時(shí)越費(fèi)電
3、讀取IO口前,要先設(shè)置輸出高電平
4、P0作為輸出,需外接上拉電阻
5、按鍵開關(guān)作為輸入時(shí),接在IO口和GND之間,另外需要上拉電阻
6、51單片機(jī)的四個(gè)IO口在普通IO狀態(tài)下都是準(zhǔn)雙向口
7、51單片機(jī)IO口遵從線與邏輯
評(píng)論
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