概述

能將處理器的GPIO（General Purpose Input and Output）內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各種模式徹底弄清楚的人并不多，最近在百度上搜索了大量關(guān)于這部分的資料，對(duì)于其中很多問題的說法并不統(tǒng)一。本文盡可能的將IO涉及到的所有問題羅列出來，對(duì)于有明確答案的問題解釋清楚，對(duì)于還存在疑問的地方也將問題提出，供大家討論。

概括地說，IO的功能模式大致可以分為輸入、輸出以及輸入輸出雙向三大類。其中作為基本輸入IO，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要涉及的知識(shí)點(diǎn)就是高阻態(tài)；作為輸出IO，相比于輸入復(fù)雜一些，工作模式主要有開漏（Open Drain）模式和推挽（Push-Pull）模式，這一部分涉及的知識(shí)點(diǎn)比較多；對(duì)于輸入輸出IO，容易產(chǎn)生疑惑的地方是準(zhǔn)雙向和雙向端口的區(qū)別。

下面就按照這樣的順序依次介紹各個(gè)模式的詳細(xì)情況。

輸入IO

這里所說的輸入IO，指的是只作為輸入，不具有輸出功能。此時(shí)對(duì)于input引腳的要求就是高阻（高阻與三態(tài)是同一個(gè)概念）。基本輸入電路的類型大致可以分為3類：基本輸入IO電路、施密特觸發(fā)輸入電路以及弱上拉輸入電路。

先從最基本的基本輸入IO電路說起，其電路如圖 1所示。

圖 1

其中的緩沖器U1是具有控制輸入端，且具有高阻抗特性的三態(tài)緩沖器。通俗地說就是這個(gè)緩沖器對(duì)外來說是高阻的，相當(dāng)于在控制輸入端不使能的情況下，物理引腳與內(nèi)部總線之間是完全隔離的，完全不會(huì)影響內(nèi)部電路。而控制輸入端的作用就是可以發(fā)出讀Pin狀態(tài)的操作指令。其過程如圖 2所示。

圖 2

這種基本電路的一個(gè)缺點(diǎn)是在讀取外部信號(hào)的跳變沿時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，如下圖所示。

圖 3

于是施密特觸發(fā)輸入電路就是解決了上述這種抖動(dòng)的問題，其經(jīng)過施密特觸發(fā)器后的信號(hào)如圖 4所示。

圖 4

對(duì)于輸入電路還存在另外一個(gè)問題，就是當(dāng)輸入引腳懸空的時(shí)候，輸入端檢測(cè)到的電平是高還是低？當(dāng)輸入信號(hào)沒有被驅(qū)動(dòng)，即懸空(Floating)時(shí)，輸入引腳上任何的噪聲都會(huì)改變輸入端檢測(cè)到的電平，如圖 5所示。

圖 5

為了解決這個(gè)問題，可以在輸入引腳處加一個(gè)弱上拉電阻，如圖 6所示。

圖 6

這樣，當(dāng)輸入引腳懸空時(shí)，會(huì)被RP上拉到高電平，在內(nèi)部總線上就有確定的狀態(tài)了。

但是這種結(jié)構(gòu)是有一定問題的。首先很明顯的一點(diǎn)是，當(dāng)輸入引腳懸空時(shí)讀到的是1，當(dāng)輸入引腳被高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)讀到的也是1，只有當(dāng)輸入引腳被低電平驅(qū)動(dòng)時(shí)讀到的才是0。也就是對(duì)于讀1采取的方式是"讀取非零"的方式。

另一個(gè)問題是該電路對(duì)外呈現(xiàn)的不是高阻，某種意義上說也在向外輸出，當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)電路不同時(shí)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。例如外部驅(qū)動(dòng)電路是如圖 7所示的結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)中通過K打到不同端可以輸出高電平或者低電平。

圖 7

如果將如圖 7所示的電路輸出低電平，連接到帶有弱上拉電阻的輸入引腳，其結(jié)構(gòu)如下所示。

圖 8

由歐姆定律知，測(cè)試點(diǎn)處的電平是 ，于是CPU測(cè)得的輸入信號(hào)為高，而外部驅(qū)動(dòng)電路希望輸出的電平為低。這種錯(cuò)誤的原因就在于這種結(jié)構(gòu)的輸入電路并不是真正的高阻，或者說這個(gè)輸入IO其實(shí)也在輸出，而且影響了外部輸入電路。

這種情況的發(fā)生也說明了：信號(hào)前后兩級(jí)傳遞，為什么需要輸出阻抗小，輸入阻抗大的原因。在這個(gè)例子中，外圍驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗很大，達(dá)到了100Kohm;而輸入端的阻抗又不夠大，只有10Kohm，于是就出現(xiàn)了問題。如果輸入端的輸入阻抗真正做到高阻（無窮大），如下所示，就不會(huì)出現(xiàn)問題。

圖 9

上面提到的這個(gè)帶弱上拉的輸入電路，也就是在后續(xù)章節(jié)會(huì)提到的準(zhǔn)雙向端口的情況。

輸出IO

IO輸出電路最主要的兩種模式分別是推挽輸出（Push-Pull Output）和開漏輸出（Open Drain Output）。

推挽輸出（Push-Pull Output）

推挽輸出的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)三極管或者M(jìn)OS管受到互補(bǔ)信號(hào)的控制，兩個(gè)管子始終保持一個(gè)處于截止，另一個(gè)處于導(dǎo)通的狀態(tài)。如圖 10所示。

圖 10

推挽輸出的最大特點(diǎn)是可以真正能真正的輸出高電平和低電平，在兩種電平下都具有驅(qū)動(dòng)能力。

補(bǔ)充說明：所謂的驅(qū)動(dòng)能力，就是指輸出電流的能力。對(duì)于驅(qū)動(dòng)大負(fù)載（即負(fù)載內(nèi)阻越小，負(fù)載越大）時(shí)，例如IO輸出為5V，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載內(nèi)阻為10ohm，于是根據(jù)歐姆定律可以正常情況下負(fù)載上的電流為0.5A（推算出功率為2.5W）。顯然一般的IO不可能有這么大的驅(qū)動(dòng)能力，也就是沒有辦法輸出這么大的電流。于是造成的結(jié)果就是輸出電壓會(huì)被拉下來，達(dá)不到標(biāo)稱的5V。

當(dāng)然如果只是數(shù)字信號(hào)的傳遞，下一級(jí)的輸入阻抗理論上最好是高阻，也就是只需要傳電壓，基本沒有電流，也就沒有功率，于是就不需要很大的驅(qū)動(dòng)能力。

對(duì)于推挽輸出，輸出高、低電平時(shí)電流的流向如圖 11所示。所以相比于后面介紹的開漏輸出，輸出高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)很多。

圖 11

但推挽輸出的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果當(dāng)兩個(gè)推挽輸出結(jié)構(gòu)相連在一起，一個(gè)輸出高電平，即上面的MOS導(dǎo)通，下面的MOS閉合時(shí)；同時(shí)另一個(gè)輸出低電平，即上面的MOS閉合，下面的MOS導(dǎo)通時(shí)。電流會(huì)從第一個(gè)引腳的VCC通過上端MOS再經(jīng)過第二個(gè)引腳的下端MOS直接流向GND。整個(gè)通路上電阻很小，會(huì)發(fā)生短路，進(jìn)而可能造成端口的損害。這也是為什么推挽輸出不能實(shí)現(xiàn)" 線與"的原因。

開漏輸出（Open Drain Output）

常說的與推挽輸出相對(duì)的就是開漏輸出，對(duì)于開漏輸出和推挽輸出的區(qū)別最普遍的說法就是開漏輸出無法真正輸出高電平，即高電平時(shí)沒有驅(qū)動(dòng)能力，需要借助外部上拉電阻完成對(duì)外驅(qū)動(dòng)。下面就從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理上說明為什么開漏輸出輸出高電平時(shí)沒有驅(qū)動(dòng)能力，以及進(jìn)一步比較與推挽輸出的區(qū)別。

首先需要介紹一些開漏輸出和開集輸出。這兩種輸出的原理和特性基本是類似的，區(qū)別在于一個(gè)是使用MOS管，其中的"漏"指的就是MOS管的漏極；另一個(gè)使用三極管，其中的"集"指的就是MOS三極管的集電極。這兩者其實(shí)都是和推挽輸出相對(duì)應(yīng)的輸出模式，由于使用MOS管的情況較多，很多時(shí)候就用"開漏輸出"這個(gè)詞代替了開漏輸出和開集輸出。

介紹就先從開集輸出開始，其原理電路結(jié)如圖 12所示。

圖 12

圖 12左邊的電路是開集（OC）輸出最基本的電路，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，NPN三極管導(dǎo)通，Output被拉到GND，輸出為低電平；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，NPN三極管閉合，Output相當(dāng)于開路（輸出高阻）。高電平時(shí)輸出高阻（高阻、三態(tài)以及floating說的都是一個(gè)意思），此時(shí)對(duì)外沒有任何的驅(qū)動(dòng)能力。這就是開漏和開集輸出最大的特點(diǎn)，如何利用該特點(diǎn)完成各種功能稍后介紹。這個(gè)電路雖然完成了開集輸出的功能，但是會(huì)出現(xiàn)input為高，輸出為低；input為低，輸出為高的情況。

圖 12右邊的電路中多使用了一個(gè)三極管完成了"反相"。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，第一個(gè)三極管導(dǎo)通，此時(shí)第二個(gè)三極管的輸入端會(huì)被拉到GND，于是第二個(gè)三極管閉合，輸出高阻；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，第一個(gè)三極管閉合，此時(shí)第二個(gè)三極管的輸入端會(huì)被上拉電阻拉到高電平，于是第二個(gè)三極管導(dǎo)通，輸出被拉到GND。這樣，這個(gè)電路的輸入與輸出是同相的了。

接下來介紹開漏輸出的電路，如圖 13所示。原理與開集輸出基本相同，只是將三極管換成了MOS而已。

圖 13

接著說說開漏、開集輸出的特點(diǎn)以及應(yīng)用，由于兩者相似，后文中若無特殊說明，則用開漏表示開漏和開集輸出電路。

1. 開漏輸出最主要的特性就是高電平?jīng)]有驅(qū)動(dòng)能力，需要借助外部上拉電阻才能真正輸出高電平，其電路如圖 14所示。

圖 14

當(dāng)MOS管閉合時(shí)，開漏輸出電路輸出高電平，且連接著負(fù)載時(shí)，電流流向是從外部電源，流經(jīng)上來電阻R _PU ，流進(jìn)負(fù)載，最后進(jìn)入GND。

1. 開漏輸出的這一特性一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)就是可以很方便的調(diào)節(jié)輸出的電平，因?yàn)檩敵鲭娖酵耆缮侠娮柽B接的電源電平?jīng)Q定。所以在需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的地方，非常適合使用開漏輸出。

2. 開漏輸出的這一特性另一個(gè)好處在于可以實(shí)現(xiàn)"線與"功能，所謂的"線與"指的是多個(gè)信號(hào)線直接連接在一起，只有當(dāng)所有信號(hào)全部為高電平時(shí)，合在一起的總線為高電平；只要有任意一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)為低電平，則總線為低電平。而推挽輸出就不行，如果高電平和低電平連在一起，會(huì)出現(xiàn)電流倒灌，損壞器件。

推挽與開漏輸出的區(qū)別

圖 15

雙向IO

很多處理器的引腳可以設(shè)置為雙向端口，雙向端口的要求就是既可以輸出信號(hào)，又可以讀回外部信號(hào)輸入。要同時(shí)做到這兩點(diǎn)從原理上來說有點(diǎn)困難，首先從處理器的開漏輸出IO口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說起，如圖 16所示。

圖 16

該結(jié)構(gòu)是在圖 13的基礎(chǔ)上，在三極管之前加入了一個(gè)FF，目的是用于控制輸出信號(hào)的時(shí)間。比較常見的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合是多個(gè)IO作為一個(gè)總線時(shí)，需要總線上的各個(gè)引腳同時(shí)將數(shù)據(jù)輸出。

對(duì)于開漏輸出結(jié)構(gòu)，會(huì)將FF的輸出Q端連接會(huì)輸入驅(qū)動(dòng)緩沖器，這樣的話執(zhí)行讀操作是讀的并不是外部引腳的狀態(tài)，而是自己輸出的狀態(tài)。

雙向開漏IO

但是對(duì)圖 16的結(jié)構(gòu)稍作修改，如圖 17所示時(shí)，該結(jié)構(gòu)稱為雙向開漏IO的結(jié)構(gòu)。所做的改動(dòng)是將輸入驅(qū)動(dòng)緩沖器連接到了PIN上。

圖 17

該結(jié)構(gòu)輸出為"1"時(shí)，T1斷開，此時(shí)pin對(duì)外呈現(xiàn)高阻，作為輸入引腳沒有任何問題。但是如果該結(jié)構(gòu)輸出"0"時(shí)，T1導(dǎo)通，此時(shí)pin對(duì)外短路到地，即無論外部輸入什么信號(hào)，U2讀回的全部是低。所以對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)，如果需要作為輸入引腳使用時(shí)，必須給U1輸出"1"后才能讀取外部引腳數(shù)據(jù)。

準(zhǔn)雙向開漏IO

很多文獻(xiàn)中還提到了準(zhǔn)雙向端口，其實(shí)準(zhǔn)雙向端口就是圖 17的結(jié)構(gòu)中加了一個(gè)上拉電阻，如圖 18所示。

圖 18

這個(gè)結(jié)構(gòu)與圖 17相比有以下相同與不同之處：

1. 作為輸入引腳使用時(shí)，也必須先向U1中寫"1"，以達(dá)到斷開T1的目的。所以是否需要提前寫"1"并不是雙向IO與準(zhǔn)雙向IO的區(qū)別。兩者做輸入端口時(shí)都需要提前寫"1"。

2. 雙向端口作為輸入時(shí)是真正的高阻態(tài)，而準(zhǔn)雙向IO作為輸入端口時(shí)，輸入阻抗不為高阻，于是有可能出現(xiàn)如本文圖 8所示的問題。

3. 準(zhǔn)雙向端口讀取輸入狀態(tài)，默認(rèn)為高。也就是判斷外部輸入信號(hào)的方法是"非低則為高"。即該結(jié)構(gòu)只能準(zhǔn)確的識(shí)別外部的低電平，無法區(qū)分懸空和真正的高。于是只要讀到的不是0，都認(rèn)為外部為1。

推挽輸出作為雙向IO

如果雙向端口中的輸出部分采用的是推挽輸出結(jié)構(gòu)，那么作為輸入時(shí)必須將上下兩個(gè)管子全部端口才能成為高阻，作為輸入。

51單片機(jī)的P0端口

在雙向端口的討論中，比較復(fù)雜的就是51單片機(jī)的P0端口了。這里就詳細(xì)討論一下51單片機(jī)的P0端口結(jié)構(gòu)和工作原理。

P0端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 19所示。

圖 19

內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括以下這些器件：

1. U1：與門。一個(gè)輸入連著控制線，另一個(gè)輸入連接這地址/數(shù)據(jù)信號(hào)。由于與門的特性，當(dāng)控制線為1時(shí)，與門輸出與地址/數(shù)據(jù)信號(hào)的電平保持一致；如果控制線為0，則輸出恒為。于是控制信號(hào)線相當(dāng)于與門的使能信號(hào)。

2. U2：反相器，輸出信號(hào)為地址/數(shù)據(jù)信號(hào)的反相信號(hào)。

3. U3和U6都是具有控制輸入端且具有高阻抗特性的三態(tài)緩沖器，作用是對(duì)于外部呈現(xiàn)高阻態(tài)。當(dāng)控制端使能時(shí)可以將外部信號(hào)的電平讀進(jìn)數(shù)據(jù)總線。

4. U4：為鎖存器，目的就是控制引腳輸出信號(hào)的時(shí)間。

5. U5：模擬開關(guān)，可以控制V2的輸入信號(hào)是來自鎖存器U4的Q非輸出還是來自于反相器U2的輸出。

6. V1和V2分別是兩個(gè)MOS管。

了解了各個(gè)獨(dú)立器件之后就開始介紹工作在各個(gè)模式下的工作原理：

P0用于地址/數(shù)據(jù)線時(shí)：

在P0作為地址/數(shù)據(jù)線時(shí)，是地址、數(shù)據(jù)復(fù)用總線，P0需要輸出地址，同時(shí)需要讀回?cái)?shù)據(jù)信號(hào)。

當(dāng)P0需要輸出地址信息時(shí)，U1的控制信號(hào)為0，模擬開關(guān)U5接到U2反相器的輸出。于是當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)線傳來的信號(hào)為1，與控制線"1"相與之后輸出到V1的輸入信號(hào)為"1"，V1截止。地址信號(hào)"1"經(jīng)反相之后，通過模擬開關(guān)輸出到V2的輸入端為"0"，V2導(dǎo)通，于是情況如圖 20所示，pin輸出"0"。

圖 20

當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)線傳來的信號(hào)為1，與控制線"1"相與之后輸出到V1的輸入信號(hào)為"0"，V1導(dǎo)通。地址信號(hào)"0"經(jīng)反相之后，通過模擬開關(guān)輸出到V2的輸入端為"1"，V2截止，于是情況如圖 21所示，pin輸出"1"。

圖 21

于是在作為地址線輸出時(shí)，V1、V2兩個(gè)MOS管均使用了，是推挽輸出。

當(dāng)P0在輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線，此時(shí)CPU的操作是控制端輸出0，模擬開關(guān)打到鎖存器的Q非端，且向鎖存器中打入"1"。于是Q非輸出為0，V2截止。同時(shí)控制線為0使得與門輸出為0，V1截止。由于V1和V2都截止，所以此時(shí)pin對(duì)外完全呈現(xiàn)高阻，作為輸入端口，外部數(shù)據(jù)通過U6進(jìn)入內(nèi)部總線，情況如圖 22所示。（相當(dāng)于將推挽輸出的兩個(gè)MOS管全部斷開了）此時(shí)由于對(duì)外呈現(xiàn)高阻，所以是真正的輸入引腳。這就解釋了為什么說P0是真正的雙線端口。

圖 22

P0用于普通IO時(shí)：

在P0作為普通IO并作為輸出時(shí)，控制信號(hào)為0，使V1始終處于截止?fàn)顟B(tài)。模擬開關(guān)連接到Q非輸出，當(dāng)作為輸出時(shí)，鎖存器的輸入端直接輸入0或者1，Q非將反相信號(hào)輸入到V2的輸入端。即當(dāng)輸出"0"時(shí)，V2輸入端為"1"，V2導(dǎo)通，pin輸出"0"；當(dāng)輸出"1"時(shí)，V2輸入端為"0"，V2截止，pin輸出高阻的0。即當(dāng)P0工作在普通IO模式下，輸出為開漏輸出，且內(nèi)部沒有上拉電阻。

在P0作為普通IO并作為輸入時(shí)，控制信號(hào)為0，使V1始終處于截止?fàn)顟B(tài)。模擬開關(guān)連接到Q非輸出，且CPU自動(dòng)向鎖存器輸入端寫1，則V2輸入端為0，V2截止。與之前在作為地址/數(shù)據(jù)線，作為輸入時(shí)一樣，也是兩個(gè)MOS管全部斷開，pin直接連接到U6，對(duì)外呈現(xiàn)高阻。于是也是真正的輸入引腳。

綜上P0無論工作在哪種模式下都是真正的雙端口IO。

51單片機(jī)的P1～P3端口

51單片機(jī)的其他三個(gè)端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 23所示，與P0相比簡(jiǎn)單了很多，沒有了頂部的MOS管，也沒有了地址/數(shù)據(jù)信號(hào)的選項(xiàng)。作為輸出時(shí)是帶有上拉電阻的的開漏輸出，作為輸入時(shí)是有上拉電阻存在的，于是輸入端口對(duì)外不是高阻。這就解釋了為什么P1～P3只能是準(zhǔn)雙向端口。

圖 23

• 這種情況的發(fā)生也說明了：信號(hào)前后兩級(jí)傳遞，為什么需要輸出阻抗小，輸入阻抗大的原因。在這個(gè)例子中，外圍驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗很大，達(dá)到了100Kohm;而輸入端的阻抗又不夠大，只有10Kohm，于是就出現(xiàn)了問題。如果輸入端的輸入阻抗真正做到高阻（無窮大），如下所示，就不會(huì)出現(xiàn)問題。哈哈。一開始認(rèn)為作者這段話錯(cuò)了。仔細(xì)又思考下。作者應(yīng)該是對(duì)的。信號(hào)傳遞確實(shí)需要發(fā)送信號(hào)的設(shè)備的輸出阻抗小，接收設(shè)備的輸入阻抗大。但在作者的論述中，所謂的"外圍驅(qū)動(dòng)電路"是作為發(fā)送信號(hào)的設(shè)備，而"單片機(jī)輸入端"是作為接收信號(hào)的設(shè)備。所以需要外圍的設(shè)備輸出阻抗小（這個(gè)例子達(dá)到了100k，相比10k屬于大了），單片機(jī)的輸入阻抗又不夠大（沒有達(dá)到高阻抗，只有10k），于是出現(xiàn)了傳輸錯(cuò)誤。我犯的錯(cuò)誤是看到“外圍設(shè)備”就認(rèn)為是接收設(shè)備，看到“單片機(jī)的輸入端”就認(rèn)為是發(fā)送設(shè)備。