IO口操作是單片機實踐中最基本最重要的一個知識，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，確保內容正確無誤，花了很長時間寫的。IO口原理原本需要涉及很多深入的知識，而這裏盡最大可能做了簡化方便理解。這樣對於以後解決各種IO口相關的問題會有很大的幫助。
IO口等效模型是本人獨創的方法，通過此模型，能有效的降低對IO口內部結構理解的難度。並且經查閱資料確認，這種模型和實際工作原理基本一致。
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前面說了很多東西，不少人或許已經迫不及待的想要實際操作單片機了。IO口作爲單片機與外界通信最主要的手段，是單片機學習最基本也最重要的一個知識。前面我們編程實現了IO口點亮LED的實驗，本篇繼續對IO口相關知識進行介紹。
爲了更好的學習IO口操作，有必要了解一下IO口的內部結構和相關概念。這些知識對於後續的學習很有幫助，重點是理解，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。
官方資料（最權威準確）
我們說過，要了解一個芯片，最準確有效的方法，是查看官方給出的芯片手冊等資料。但是初學單片機，直接看芯片手冊資料恐怕很難弄明白，尤其是看到一堆英文、陌生的電路、名詞術語，如果是我，一定也會抓狂的。但是這裏我還是給出一張從Atmel官方的《Atmel 8051 Microcontrollers Hardware Manual》中截取的圖片。
給出這張圖片並不是爲了打擊大家學習熱情，而是希望大家能明白，我們所見過的各種單片機資料到底是怎麼來的，到底是否準確，這一切都可以通過官方資料弄清楚，對於大家以後深入學習一些東西有一定的幫助。
第二功能簡介
上圖正是官方給出的權威的51單片機IO口結構圖。可以看出，單片機的四組IO口內部結構各不相同，原因是有些IO口有第二功能，入門篇裏面提到過。
還記得這張管腳圖嗎？括號中標註的就是IO口的第二功能名稱。除了P1以外，每個接口都有第二功能。介紹單片機系統模塊時，我提到51單片機有預留擴展存儲器的接口，正是圖中的P0和P1的第二功能（同時還要用到29、30等管腳）。因爲用的不多，涉及知識也比較深入，就不做具體研究了。順便一提，其實這裏我們看到的AD0~AD7，就是用於並行口的。而P3口的第二功能，就包括串口等，後面學到了還會具體介紹。
IO口等效電路
由於深入理解IO口的原理涉及到很多電路甚至微機原理相關知識，這裏只做簡化介紹，能滿足絕大多數情況下的需要。作爲普通IO口使用時，四個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鍵。
右邊的P1.X表示P1的一個IO口，如P1.0；電阻右邊寫的英文是內部上拉電阻的意思，之所以叫上拉電阻，是因爲電阻的一端接在VCC上。下面的三角形表示接地，相當於GND。除此之外，最關鍵的一個器件是下面這個。
這個器件的本質是晶體管，起到電子開關的作用（如果想深入瞭解，可以學習模擬電路相關的知識，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，這樣的結構只是一個IO口，整個單片機中有32個這種結構。
圖中的R爲阻值10k的上拉電阻，S是由前面的晶體管等效的電子開關。藍色框中的部分在單片機內部。
S的開關狀態由CPU控制。當用程序設置P1.0管腳爲低電平時，電子開關S閉合。實際上電子開關S閉合時，兩端還有很小的電阻。根據分壓原理，P1.0上會有一個很低的電壓，近似0V，已經可以視爲低電平了。當設置管腳爲高電平時S斷開，P1.0通過10k上拉電阻接到VCC上。如果用電壓表測量，因爲電壓表內阻很大，所以可以得出其電壓值爲高電平。
IO口的輸出：點亮LED
前面介紹了點亮第一個LED的程序和電路。程序如下：
#include <reg52.h>
sbit LED = P1^0;
void main()
{
LED = 0;
while(1);
}
電路關鍵部分如下，VCC通過1k電阻連接到LED正極，LED負極接到P1.0口：
在單片機執行LED=0的時候，電子開關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，再經過S流入GND，LED兩端有合適的電壓於是點亮。結合單片機內部IO口等效電路，整個電路如下圖
灌電流與拉電流
在上面的例子中，P1.0輸出低電平點亮LED。能不能反過來，P1.0輸出高電平點亮LED呢？我們可以考慮電路連接成下面這樣，並在程序中編寫LED=1。
當執行LED=1時，S斷開。電流通過10k上拉電阻R從P1.0流出，並進入LED。由於上拉電阻的阻值太大，電流太小，導致LED不亮，或者亮度很微弱。所以通常不採用這種方法。
這兩種方法，前者電流從外部流入單片機內部，我們稱之爲灌電流接法；後者電流方向相反，稱爲拉電流接法。對比可以看出，對於51單片機，灌電流接法電流較大，拉電流接法由於受到上拉電阻限制，電流較小。
在實際當中灌電流的最大電流也是有限的，因爲電子開關S中能通過的電流有限。根據STC官方的芯片手冊，對於STC單片機，建議單個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。而拉電流大小隻有230uA左右。
上拉電阻/下拉電阻/高阻態
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外部再添加一個上拉電阻，就可以增大拉電流，並且能成功點亮LED，如下圖所示。
圖中的電路，相當於R和R0並聯了，整個上拉電阻的阻值減小了。但是這樣做有個缺陷。在這個電路中，當單片機輸出低電平時，S閉合，此時電流從VCC通過上拉電阻和S流入GND。此時雖然LED熄滅了，但是卻有較大電流通過上拉電阻而浪費掉。所以上拉電阻過大，會導致驅動力不足，而上拉電阻過小，又會在輸出低電平時浪費電能。
上拉電阻的作用是什麼呢？對電路瞭解多一點的人很快能發現，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。開關閉合時能輸出低電平，但是開關斷開時，P1.0就懸空了，什麼也沒連接。這時IO口的電壓就是不確定的了，這種狀態無法判斷它是低電平還是高電平，叫做高阻態。很巧的是，單片機的P0口確實就沒有上拉電阻，而其他三組IO口都有上拉電阻。所以當P0輸出高電平，並且沒有外接上拉電阻時，就是高阻態，不能正常輸出高電平。後面我會通過具體例子來讓大家感受一下高阻態。
注：雖然P1.0似乎是同時連接到CPU的IO輸入端了，即圖中寫着“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候纔會導通，並且是單向的。
上拉電阻的存在，將原本的高阻態轉變成了高電平，也因此得名。和上拉電阻相對應的，還有下拉電阻，區別在於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），意味着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來說明。在很多單片機中，IO的輸入和輸出需要通過電路切換，而對於51單片機來說，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是一個單刀雙擲開關，往上切換可以將P1.0接到VCC，往下切換可以接到GND。讀取時CPU會通過特定電路獲取圖中橙色導線上的電平。我們想要實現的效果是，讓CPU讀取P1.0端口的電平，從而獲得開關S0的狀態。
當S斷開時，CPU通過獲取P1.0上的電平可以知道外部開關S0的狀態，從而執行相應的操作。
而S閉合時，S0往下切換，P1.0確實是低電平。而S保持閉合且S0往上切換時，VCC通過S0和S直接接到GND就短路了。此時電子開關S通過大量電流，可能會燒壞單片機。於是我們添加了電阻R0。S仍然保持閉合，S0往上切換。此時P1.0仍然是低電平，於是CPU無法判斷外部開關S0的狀態，如下圖。
總結起來就是在讀取IO口電平時，應先設置輸出高電平（即斷開S），再讀取數據。這個規則適用於所有IO口。
類似的，還可以讀取單刀單擲開關（或按鍵開關）的狀態，讀取前先設置輸出高電平，電路圖如下。
上面這種電路需要依賴上拉電阻才能工作。P0口由於沒有上拉電阻，需要在外部添加一個上拉電阻（因爲如果沒有上拉電阻，並且S和S0都斷開時，IO口變成高阻態，讀取的電平結果不確定，於是無法正確判斷S0的開關狀態）。
雙向IO口/準雙向IO口
標準雙向IO口的特點有兩條：
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，應呈現高阻態。
對於51單片機的P1、P2、P3口，由於有內部上拉電阻，輸入模式下不可能出現高阻態，所以稱之爲準雙向IO口。而P0口作爲IO口工作時，如果不加上拉電阻就無法輸出高電平；而加了上拉電阻，輸入時又不會出現高阻態，所以也是準雙向IO口。
備註1：51單片機的P0口如果工作在第二功能狀態下，則是雙向IO口。初學時具體原理不需要研究的很透徹，下面一段對此進行分析，僅供有興趣的讀者參考。
對照官方的完整IO口結構圖，P0口內部有上下兩個晶體管。當P0口工作在IO口模式下，上面那個晶體管斷開，可以直接忽略，前面的等效電路就沒有考慮上面那個晶體管。而當P0口工作在第二功能狀態下，兩個晶體管都可以工作。如果上面的晶體管斷開，下面的導通，就輸出低電平；反之上面的導通下面的斷開，就輸出高電平並且不需要上拉電阻；如果兩個晶體管都斷開，則可以作爲輸入，並且在沒有外界電路時呈現高阻態。所以是雙向IO口。
備註2：關於雙向IO口和準雙向IO口的概念存在一定爭議，這裏的介紹綜合了網上多方面的觀點，被多數人所接受。
線與邏輯
如果把兩個單片機IO口連接在一起會發生什麼現象呢？下面就是我們的電路圖。
當設置兩個IO口都輸出低電平，即S和S1都閉合時，總體是低電平；而當設置其中一個IO口輸出低電平另一個輸出高電平時，即S或S1閉合，此時兩個IO口上都會呈現低電平。只有當P1.0、P1.1都輸出高電平，即S和S1都斷開時，纔會呈現高電平。
可以簡單表述成：兩個IO口連接在一起，僅當P1.0與P1.1都設置輸出高電平時，兩者接線上纔會呈現高電平。這就是所謂的線與邏輯。不僅是兩個，如果是很多的這樣的IO口連在一起，只有所有IO都設置輸出高電平，接線上纔會呈現高電平。線與邏輯會在後面的矩陣鍵盤中使用到。
總結
最後總結起來，主要就是下面幾點。內容有點多，但是實際上常用的只有其中的幾點。再次強調，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，但輸出低電平時越費電
3、讀取IO口前，要先設置輸出高電平
4、P0作爲輸出，需外接上拉電阻
5、按鍵開關作爲輸入時，接在IO口和GND之間，另外需要上拉電阻
6、51單片機的四個IO口在普通IO狀態下都是準雙向口
7、51單片機IO口遵從線與邏輯
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《單片機小白學步》系列教程（原名《單片機入門指南》）介紹
本系列教程從最基本的入門知識開始，逐步深入介紹單片機系統設計，內容包括：
1、入門篇：單片機等基本概念、各種電子設計基本知識
2、思想篇：單片機/計算機系統設計的工程思想
3、學習篇：單片機學習過程、方法和技巧，以51單片機爲例介紹，並推廣到其他單片機
4、應用篇：遵循規範的工程方法，設計單片機系統實例（計劃設計的系統有：計算器、電子錶、密碼鎖、簡易手機，具體看有沒有時間再確定）
5、原理篇：從模擬電路、數字電路開始，逐步深入介紹單片機/計算機系統原理，並自行設計簡易的CPU（由於個人水平有限，這部分沒有把握寫好，具體內容視情況而定）
教程特點
1、技術知識點全面，從入門到精通
包含了各種基本知識，尤其是對單片機基本概念的介紹、爲什麼要用單片機等，在很多同類書籍教程中都被忽略了。同時也包含了一些深入的知識，包括原理篇考慮對單片機的基本原理進行介紹，有助於深入理解單片機。
本系列教程以51單片機爲例進行介紹。通過51介紹完單片機的基本知識，我會再把430進行簡要介紹，尤其是對比兩者之間的優缺點，讓大家很快感受到430的巨大優勢，而學習51正好爲快速瞭解430打下了堅實的基礎。
2、除了單片機知識，還有思想、方法、技巧的介紹
本系列教程中，介紹單片機各種模塊編程知識的主要是學習篇，而學習篇只是整個教程的一部分。在學習篇中我會貫穿各種方法技巧，如何理解一些模塊功能，怎麼看時序圖，嚴格遵守工程思想進行編程，程序發生了錯誤怎麼調試等等。而在思想篇中會總體介紹很多重要的思想，爲後面的學習做好準備工作。
3、知識先後順序的設計
單片機學習過程中，涉及大量的知識，而且很多知識之間相互依賴，關聯很強。
本系列教程對知識的先後順序進行比較明確的規劃，盡最大可能符合人的認知過程。但是實際規劃時發現，無論怎麼調整知識的順序，總有一些知識之間相互依賴，關係複雜。例如開始講IO口的時候肯定會提到寄存器，而寄存器這個詞的理解，需要深厚的背景知識。但是這些背景知識在沒有進行實踐的時候也很難理解。
初學者常常就會在這樣的地方感覺疑惑不解，不知所措。而每次遇到類似這樣的知識，我會向初學者指出，應該如何對待。這個知識是應該自己去學習補充，還是等到學完原理篇再做理解，而現在又應該怎麼去看待這個名詞。
另外，在整個教程的學習前，需要掌握一定的C語言等基礎知識，具體可參考教程第〇篇《序》中的相關說明
http://www.hainter.com/mcu-primer-0
4、語言通俗易懂
本系列教程力求語言通俗易懂，而不會用一堆新手不懂的詞語去解釋另一個不懂的詞語。但是受限於個人語言表達能力，可能有些地方表述的比較繁瑣，或者不清楚，希望大家能夠幫忙指出。
其他問題
如果覺得我寫的對你有幫助，歡迎多多反饋，包括寫的不正確、不合理、不太明白都可以指出來，這樣方便我對其進行完善。
更多可參見：《如何以學習單片機爲契機，逐步成爲優秀的工程師》
http://www.hainter.com/mcu-engineer
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