基本IO结构

3.6基本I/O结构I/O口的内部结构是什么样的？引言XTAL2XTAL1VCCVSSP3.6/P3.7/P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.1P3.0P3.2P3.5P3.4P3.3P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8WRRDALE/PROGEAPSEN8051RSTPinI/O口目录弱上拉和准双向电路基本输入电路推挽电路开漏电路基本输入I/O口电路基本输入电路弱上拉输入电路施密特触发输入电路基本输入I/O口电路的内部结构基本输入I/O口的内部结构图带控制输入端且具有高阻抗特性的三态缓冲器CPU会自动发出读脉冲信号，Pin管脚的电平状态会直接反映在内部总线上。Pin管脚与内部总线完全隔离，Pin管脚的状态不会影响内部电路。基本输入I/O口电路的工作原理基本输入I/O口的内部结构图CPU自动发出读脉冲信号STOP？工作原理：未执行“读”指令时执行“读”指令时GO读脉冲PIN内部总线基本输入I/O口电路的工作原理基本输入I/O口的内部结构图STOP工作原理：GO0011发出读脉冲信号注意：①CPU自动发出读脉冲信号；②读脉冲信号的作用时间很短；③读到的值总是为0或为1。基本输入I/O口电路基本输入I/O口的内部结构图三态缓冲器施密特触发输入电路的内部结构图施密特触发器施密特触发输入电路施密特触发器的作用是将缓慢变化的或畸变的输入脉冲信号整理成近似于理想的矩形脉冲信号。施密特触发输入电路的工作原理基本I/O输入电路施密特触发输入电路近似于理想的矩形脉冲信号畸变的脉冲信号STOPSTOPGOGO现代微控制器的I/O输入电路普遍采用这种电路结构弱上拉电阻施密特触发输入电路的内部结构图施密特触发输入电路弱上拉输入电路弱上拉输入电路的内部结构图弱上拉输入电路的工作原理弱上拉输入电路施密特触发输入电路外部干扰信号CPU读取管脚的状态，可能为0，也可能为11电路处于悬空状态STOPSTOPGOGO默认的输入状态为1，不受外部干扰信号影响缺点：显著降低了输入阻抗总结——I/O结构特性表I/O类型输入结构推挽结构开漏结构准双向结构基本特性输入/输出驱动能力-输出1驱动能力-输出0“线与”逻辑3V/5V兼容性高阻抗施密特触发仅输入----目录弱上拉和准双向电路基本输入电路推挽电路开漏电路推挽电路的内部结构反馈输入缓冲器T1和T2构成CMOS反相器输出锁存器在写信号作用下，数据被锁存到Q，控制CMOS反相器输出高/低电平。推挽电路的工作原理工作原理：QSTOPGO此时，读到的不是外部Pin管脚的状态，而是锁存器状态。执行“读”操作时执行“写”操作时推挽电路不能用作数据输入STOPGODataCMOS反相器如何工作推挽电路的工作原理CMOS反相器的工作原理：T1和T2导通时都表现为较低的阻抗（数十至数百）可想象为锁存在Q的信号为0，T2导通、T1断开，Pin管脚输出高电平。推挽电路的工作原理CMOS反相器的工作原理：STOPGO0111T2导通，T1断开内部总线输出“1”时具有极强的驱动能力，可以直接输出高电平驱动小功率外部设备推锁存在Q的信号为1，T1导通、T2断开，Pin管脚输出低电平。推挽电路的工作原理CMOS反相器的工作原理：STOPGO1000T1导通，T2断开内部总线输出“0”时具有极强的驱动能力，可以直接输出低电平驱动小功率外部设备挽总结——I/O结构特性表I/O类型输入结构推挽结构开漏结构准双向结构基本特性高阻抗施密特触发输入/输出仅输入驱动能力-输出1-驱动能力-输出0-“线与”逻辑-3V/5V兼容性-CMOS互补输出上下对称仅输出强强目录弱上拉和准双向电路基本输入电路推挽电路开漏电路开漏电路开漏输出I/O口的内部结构双向开漏I/O口的内部结构开漏电路与推挽电路相比，只有下拉晶体管T1，无上拉晶体管T2，因此T1的漏极是悬空的。U2的输入端与T1的漏极相连U2的输入端与U1的输出端Q相连开漏输出I/O口的工作原理开漏输出I/O口的工作原理开漏输出I/O口的内部结构U2的输入端与U1的输出端Q相连工作原理：①内部总线输出“1”时，T1断开；②内部总线输出“0”时，T1直接连接到GND。读到的不是外部Pin管脚的状态，而是锁存器的状态，所以在此模式下Pin不能用作数据输入。执行“读”操作时执行“写”操作时1100010只能用作数据输出STOPGO双向开漏I/O口的工作原理双向开漏I/O口的内部结构U2的输入端与T1的漏极相连工作原理：①T1导通，读到的状态始终为“0”；执行“读”操作时0STOPGO0Pin管脚被强制拉到GND应用：①如果Vcc通过限流电阻接入开漏电路；②如果去掉限流电阻R，在开漏电路中强制接入Vcc。看起来为高电平信号输入读到的状态却是低电平T1导通时表现为较低阻抗晶体管T1可能烧毁双向开漏I/O口的工作原理双向开漏I/O口的内部结构工作原理：①T1导通，读到的状态始终为“0”；②T1断开，读到的状态为Pin管脚的状态。执行“读”操作时STOPGO结论：双向开漏I/O口在执行读操作之前，必须先保证T1断开，即向输出锁存器写1，才能读到正确的值。双向开漏I/O口的工作原理双向开漏I/O口的内部结构工作原理：①T1导通，读到的状态始终为“0”；②T1断开，读到的状态为Pin管脚的状态。执行“读”操作时①内部总线输出“1”时，T1断开，Pin管脚悬空；执行“写”操作时在实际应用中，一般都会外接一个上拉电阻Rp，以获得高电平输出。缺点：驱动能力较弱，可驱动逻辑电路，不适宜直接用作功率输出接口电路。完全没有驱动能力1弱上拉电阻双向开漏I/O口的工作原理双向开漏I/O口的内部结构工作原理：①内部总线输出“1”时，T1断开，Pin管脚悬空；②内部总线输出“0”时，T1导通，Pin管脚为低电平。执行“写”操作时0具有较强的驱动能力可直接驱动小功率外部设备1结论：①内部总线输出“1”时，无驱动能力，可外接上拉电阻获得高电平输出；②内部总线输出“0”时，驱动能力较强，可直接驱动小功率外部设备。开漏结构的好处开漏结构的好处之一：能够很方便地实现“线与”逻辑。2个开漏输出晶体管电路的漏极并联连接到上拉电阻Rp，这样就具备了“线与”逻辑功能。输出1输出2Pin管脚000000100010111111①只有当T1和T2同时输出为1时，Pin管脚才为1；②T1和T2只要有一个输出为0，则Pin管脚为0。符合“与”逻辑关系：L=A•B内部总线输出，即两者单独输出时的值开漏结构的好处开漏结构的好处之一：能够很方便地实现“线与”逻辑。推挽结构两个推挽电路的管脚直接相连01构成一个消耗很大电流的通路，使电路无法正常工作，甚至会烧毁内部电路推挽结构无法实现“线与”逻辑开漏结构的好处开漏结构的好处之二：能够很方便地实现不同逻辑电平之间的转换。MCU在MCU应用电路中，最常见的逻辑电平有3.3V和5V两种标准。①不论MCU是3.3V还是5V，当开漏I/O通过上拉电阻外接3.3V时，就能够与3.3V的逻辑电平兼容；②当开漏I/O通过上拉电阻外接5V时，就能够与5V的逻辑电平兼容。3.3V3.3V5V不论MCU是3.3V还是5V即可以是3.3V，也可以是5V实现不同逻辑电平之间的兼容恩智浦半导体（NXP）发明的2线制I2C总线就是开漏结构，因此容易在同一个数字系统中轻易地实现不同逻辑电平之间的相互连接和通信。总结——I/O结构特性表I/O类型输入结构推挽结构开漏结构准双向结构基本特性高阻抗施密特触发CMOS互补输出上下对称输入/输出仅输入仅输出驱动能力-输出1-强驱动能力-输出0-强“线与”逻辑-3V/5V兼容性-不支持不兼容无上拉晶体管强下拉晶体管输出或双向无强支持很好目录弱上拉和准双向电路基本输入电路推挽电路开漏电路开漏电路开漏输出I/O口的内部结构双向开漏I/O口的内部结构弱上拉输出I/O口的内部结构内部弱上拉电阻Rp准双向I/O口的内部结构弱上拉和准双向电路与开漏输出相比，这种结构多了一个内部弱上拉电阻Rp，因此可以在不接外部上拉电阻的情况下输出高电平。内部弱上拉电阻Rp弱上拉I/O口电路的特性弱上拉输出I/O口的内部结构工作特性：①弱上拉电路结构不具备Pin管脚读取功能，只能读取其自身的输出状态；②输出高电平时驱动能力弱，输出低电平时驱动能力强；③具有“线与”逻辑功能；④在不同逻辑电平之间互连时，其兼容性不如开漏结构。U2的输入端与U1的输出端Q相连内部弱上拉电阻Rp导通时表现为较低阻抗10弱上拉电阻Rp（数十KΩ）导通时表现为较低阻抗（数十至数百Ω）0V=I×R准双向I/O口电路的特性准双向I/O口的内部结构工作特性：①在作为输入使用前，必须先向该口进行写“1”操作关闭T1，然后才能正确读到外部信号；②输出高电平时驱动能力弱，输出低电平时驱动能力强；③具有“线与”逻辑功能；④在不同逻辑电平之间互连时，其兼容性不如开漏结构。0数十KΩ几KΩ以下0总结——I/O结构特性表I/O类型输入结构推挽结构开漏结构准双向结构基本特性高阻抗施密特触发CMOS互补输出上下对称无上拉晶体管强下拉晶体管输入/输出仅输入仅输出输出或双向驱动能力-输出1-强无驱动能力-输出0-强强“线与”逻辑-不支持支持3V/5V兼容性-不兼容很好弱上拉电阻强下拉晶体管双向弱强支持一般