IO口操作是单片机实践中最根本最重要的一个常识，本篇花了比较长的篇幅介绍IO口的原理。也是查阅了不少材料，保证内容正确无误，花了很长时刻写的。IO口原理本来需求触及许多深化的常识，而这儿尽最大或许做了简化便利了解。这样关于今后处理各种IO口相关的问题会有很大的协助。
IO口等效模型是自己首创的办法，经过此模型，能有用的下降对IO口内部结构了解的难度。而且经查阅材料结语，这种模型和实践作业原理根本共同。
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前面说了许多东西，不少人或许现已刻不容缓的想要实践操作单片机了。IO口作为单片机与外界通讯最首要的手法，是单片机学习最根本也最重要的一个常识。前面咱们编程完成了IO口点亮LED的试验，本篇持续对IO口相关常识进行介绍。
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。这些常识关于后续的学习很有协助，重点是了解，彻底不需求故意去记。不记得就回来再看看就行了，用得多了天然就记住了。
官方材料（最威望精确）
咱们说过，要了解一个芯片，最精确有用的办法，是检查官方给出的芯片手册等材料。可是初学单片机，直接看芯片手册材料恐怕很难弄了解，尤其是看到一堆英文、生疏的电路、名词术语，假如是我，必定也会抓狂的。可是这儿我仍是给出一张从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冲击咱们学习热心，而是期望咱们能了解，咱们所见过的各种单片机材料究竟是怎样来的，究竟是否精确，这一切都能够经过官方材料弄清楚，关于咱们今后深化学习一些东西有必定的协助。
第二功用简介
上图正是官方给出的威望的51单片机IO口结构图。能够看出，单片机的四组IO口内部结构各不相同，原因是有些IO口有第二功用，入门篇晒干说到过。
还记得这张管脚图吗？括号中标示的便是IO口的第二功用称号。除了P1以外，每个接口都有第二功用。介绍单片机体系模块时，我说到51单片机有预留扩展存储器的接口，正是图中的P0和P1的第二功用（一起还要用到29、30等管脚）。咱们用的不多，触及常识也比较深化，就不做详细研讨了。趁便一提，其实这儿咱们看到的AD0~AD7，便是用于并行口的。而P3口的第二功用，就包含串口等，后边学到了还会详细介绍。
IO口等效电路
咱们深化了解IO口的原理触及到许多电路乃至微机原理相关常识，这儿只做简化介绍，能分量绝大多数情况下的需求。作为一般IO口运用时，四个IO口的作业原理根本共同。
下面的图是从前面图中的P1电路中裁剪出来的，也是咱们需求了解的要害。
右边的P1.X一共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，是咱们电阻的一端接在VCC上。下面的三角形一共接地，相当于GND。除此之外，最要害的一个器材是下面这个。
这个器材的实质是晶体管，起到电子开关的作用（假如想深化了解，能够学习模仿电路相关的常识，或许比及原理篇中介绍）。上面的电路能够大致等效成下图。留意，这样的结构仅仅一个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的开关状况由CPU操控。当用程序设置P1.0管脚为低电平常，电子开关S闭合。实践上电子开关S闭合时，两头还有很小的电阻。依据分压原理，P1.0上会有一个很低的电压，近似0V，现已能够视为低电平了。当设置管脚为高电平常S断开，P1.0经过10k上拉电阻接到VCC上。假如用电压表丈量，咱们电压表内阻很大，所以能够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);
}
电路要害部分如下，VCC经过1k电阻衔接到LED正极，LED负极接到P1.0口：
在单片机碑文LED=0的时分，电子开关S就由CPU操控而闭合，P1.0上输出低电平。电流经过1k电阻和LED流入P1.0，再经过S流入GND，LED两头有适宜的电压所以点亮。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
在上面的比如中，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？咱们能够考虑电路衔接成下面这样，并在程序中编写LED=1。
当碑文LED=1时，S断开。电流经过10k上拉电阻R从P1.0流出，并进入LED。咱们上拉电阻的阻值太大，电流太小，导致LED不亮，或许亮度很弱小。所以一般不选用这种办法。
这两种办法，前者电流从外部流入单片机内部，咱们称之为灌电流接法；后者电流方向相反，称为拉电流接法。比照能够看出，关于51单片机，灌电流接法电流较大，拉电流接法咱们受到上拉电阻约束，电流较小。
在实践傍边灌电流的最大电流也是有限的，咱们电子开关S中能经过的电流有限。依据STC官方的芯片手册，关于STC单片机，主张单个IO口灌电流主张不超越20mA，一切IO口灌电流之和不超越55mA，不然简略烧坏IO口。而拉电流巨细只要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，能否进步拉电流巨细呢？答案是能够。咱们只需求在单片机外部再增加一个上拉电阻，就能够增大拉电流，而且能成功点亮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。可是这样做有个缺点。在这个电路中，当单片机输出低电平常，S闭合，此刻电流从VCC经过上拉电阻和S流入GND。此刻尽管LED平息了，可是却有较大电流经过上拉电阻而糟蹋掉。所以上拉电阻过大，会导致驱动力缺乏，而上拉电阻过小，又会在输出低电平常糟蹋电能。
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，假如没有上拉电阻，IO口就无法输出高电平，也便是下图这样的。开关闭合时能输出低电平，可是开关断开时，P1.0就悬空了，什么也没衔接。这时IO口的电压便是不确定的了，这种状况无法判别它是低电平仍是高电平，叫做高阻态。很巧的是，单片机的P0口的确就没有上拉电阻，而其他三组IO口都有上拉电阻。所以当P0输出高电平，而且没有外接上拉电阻时，便是高阻态，不能正常输出高电平。后边我会经过详细比如来让咱们感受一下高阻态。
补白1：后续文章会详细剖析高阻态。
补白2：尽管P1.0似乎是一起衔接到CPU的IO输入端了，即图中写着“输入”的绿色箭头，可是这部分电路只要在读取管脚输入的时分才会导通，而且是单向的，能够幻想成内阻较大的电压表输入端。
补白3：如图中所示，51单片机IO口作业在一般IO口状况下，电子开关是用晶体管完成的（包含三极管和MOS管两种）。图中完成的这种电平输出结构，假如是MOS管完成，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。而假如是三极管完成，则称为集电极开路输出(OC=Open Collector)，两者原理根本共同。后续文章会介绍三极管。
上拉电阻的存在，将本来的高阻态改变成了高电平，也因而得名。和上拉电阻相对应的，还有下拉电阻，差异在于下拉电阻另一端不是衔接VCC而是接到GND。
IO口的输入
IO口之所以叫IO口（IO=Input/Output），意味着它既能够输出又能够输入。前面讲的都是IO口的输出，下面讲IO口的输入。IO口的输出咱们经过LED来介绍，而IO口的输入咱们则经过开关来阐明。在许多单片机中，IO的输入和输出需求经过电路切换，而关于51单片机来说，输入和输出运用的是同一套电路，也便是上面咱们剖析的电路。
图中的S0是一个单刀双掷开关，往上切换能够将P1.0接到VCC，往下切换能够接到GND。读取时CPU会经过特定电路获取图中橙色导线上的电平。咱们想要完成的作用是，让CPU读取P1.0端口的电平，然后取得开关S0的状况。
当S断开时，CPU经过获取P1.0上的电平能够知道外部开关S0的状况，然后碑文相应的操作。
而S闭合时，S0往下切换，P1.0的确是低电平。而S坚持闭合且S0往上切换时，VCC经过S0和S直接接到GND就短路了。此刻电子开关S经过许多电流，或许会烧坏单片机。所以咱们增加了电阻R0。S依然坚持闭合，S0往上切换。此刻P1.0依然是低电平，所以CPU无法判别外部开关S0的状况，如下图。
总结起来便是在读取IO口电平常，应先设置输出高电平（即断开S），再读取数据。这个规矩适用于一切IO口。
相似的，还能够读取单刀单掷开关（或按键开关）的状况，读取前先设置输出高电平，电路图如下。
上面这种电路需求依靠上拉电阻才干作业。P0口咱们没有上拉电阻，需求在外部增加一个上拉电阻（咱们假如没有上拉电阻，而且S和S0都断开时，IO口变成高阻态，读取的电平成果不确定，所以无法正确判别S0的开关状况）。
双向IO口/准双向IO口
规范双向IO口的特色有两条：
1、在输出形式下，能够输出凹凸电平；
2、在输入形式下，假如没有接外部电路，应出现高阻态。
关于51单片机的P1、P2、P3口，咱们有内部上拉电阻，输入形式下不或许出现高阻态，所以称之为准双向IO口。而P0口作为IO口作业时，假如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。
补白1：51单片机的P0口假如作业在第二功用状况下，则是双向IO口。初学时详细原理不需求研讨的很透彻，下面一段对此进行剖析，仅供有爱好的读者参阅。
对照官方的完好IO口结构图，P0口内部有上下两个晶体管。当P0口作业在IO口形式下，上面那个晶体管断开，能够直接疏忽，前面的等效电路就没有考虑上面那个晶体管。而当P0口作业在第二功用状况下，两个晶体管都能够作业。假如上面的晶体管断开，下面的导通，就输出低电平；反之上面的导通下面的断开，就输出高电平而且不需求上拉电阻；假如两个晶体管都断开，则能够作为输入，而且在没有外界电路时出现高阻态。所以是双向IO口。
补白2：关于双向IO口和准双向IO口的概念存在必定争议，这儿的介绍归纳了网上多方面的观念，被多数人所承受。
线与逻辑
假如把两个单片机IO口衔接在一起会产生什么现象呢？下面便是咱们的电路图。
当设置两个IO口都输出低电平，即S和S1都闭合时，整体是低电平；而当设置其间一个IO口输出低电平另一个输出高电平常，即S或S1闭合，此刻两个IO口上都会出现低电平。只要当P1.0、P1.1都输出高电平，即S和S1都断开时，才会出现高电平。
能够简略表述成：两个IO口衔接在一起，仅当P1.0与P1.1都设置输出高电平常，两者接线上才会出现高电平。这便是所谓的线与逻辑。不仅是两个，假如是许多的这样的IO口连在一起，只要一切IO都设置输出高电平，接线上才会出现高电平。线与逻辑会在后边的矩阵键盘中运用到。
总结
最终总结起来，首要便是下面几点。内容有点多，可是实践上常用的只要其间的几点。再次着重，不需求故意去记，了解了原理，用多了天然就记住了。
1、灌电流比拉电流能经过更大的电流；点亮LED一般用灌电流方法
2、上拉电阻越小，拉电流输出才能越大，但输出低电平常越费电
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，别的需求上拉电阻
6、51单片机的四个IO口在一般IO状况下都是准双向口
7、51单片机IO口遵照线与逻辑
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