AVR单片机IO口结构分析 单片机, 布尔, 影响

yuyang911220

AVR的IO是真正双向IO结构，由于大部分网友都是从标准51转过来的，受标准51的准双向IO和布尔操作概念影响，没能掌握AVR的IO操作，所以有必要撰文说明一下，其实采用真正双向IO结构的新型MCU很多，常用的有 增强型51，PIC,AVR等。
先简单的回顾一下标准51的准双向IO结构

这种准双向IO结构的特点是
1 输出结构类似 OC门，输出低电平时，内部NMOS导通，驱动能力较强(800uA)；输出高电平靠内部上拉电阻，驱动能力弱(60uA)。
2 永远有内部电阻上拉(P0口除外)，高电平输出电流能力很弱，所以即使IO口长时间短路到地也不会损坏IO口
(同理，IO口低电平输出能力较强,作低电平输出时不能长时间短路到VCC)
3 作输入时，因为OC门有"线与"特性,必须把IO口设为高电平(所以按键多为共地接法)
4 作输出时，输出低电平可以推动LED(也是很弱的)，输出高电平通常需要外接缓冲电路(所以LED多为共阳接法)
5 软件模拟 OC结构的总线反而比较方便-----例如 IIC总线
* P0口比较特殊，做外部总线时，是推挽输出，做普通IO时没有内部上拉电阻，所以P0口做按键输入需要外接上拉电阻。
* OC门:三极管的叫集电极开路，场效应管的叫漏极开路，简称开漏输出。具备"线与"能力,有0得0。
* 为什么设计成输出时高电平弱，低电平强----是考虑了当年流行的TTL器件输入特性


信我们大多数人都接触过51单片机，51单片机的I/O口是准双向I/O口。其实这种说法是不严谨的，我们知道，51单片机有4个I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，这4个I/O口的结构并不完全一致，其中P0口是标准的双向I/O口，而P1、P2、P3则是准双向I/O口。
关于准双向I/O口和双向I/O口的区别请看另一篇文章“准双向I/O口和标准双向I/O口的区别”
AVR单片机的I/O口是标准的双向I/O口，它的IO结构就就比51的I/O口复杂多了，单是控制端口的寄存器就有3个 PORTx（数据寄存器）、DDRx（数据方向寄存器）、PINx（端口输入引脚）；另外还有一个SFIOR(特殊功能I/O寄存器)，这个寄存器中的PUD位控制全部I/O口的上拉电阻是允许还是被禁止。
下图是AVR单片机通用I/O口结构示意图：
从图中可以看出，每组I/O口配备三个8位寄存器，它们分别是数据方向寄存器DDRx，数据寄存器PORTx，和输入引脚寄存器PINx（x表示端口序号）。I/O口的工作方式和表现特征由这3个I/O口寄存器控制。

数据方向寄存器DDRx用于控制I/O口的输入输出方向，即控制I/O口的工作方式为输出方式还是输入方式。
当DDRx=1时，I/O口处于输出工作方式。此时数据寄存器PORTx中的数据通过一个推挽电路输出到外部引脚，如下图。AVR的输出采用推挽电路提高了I/O口的输出能力，当PORTx=1时，I/O引脚呈现高电平，同时可提供输出20mA的电流；而当PORTx=0时，I/O引脚呈现低电平，同时可吸纳20mA电流。因此，AVR的I/O在输出方式下提供了比较大的驱动能力，可以直接驱动LED等小功率外围器件。

当DDRx=0时，I/O处于输入工作方式。此时引脚寄存器PINx中的数据就是外部引脚的实际电平，通过读I/O指令可将物理引脚的真实数据读入MCU。此外，当I/O口定义为输入时（DDRx=0），通过PORTx的控制，可使用或不使用内部的上拉电阻，如下图：

AVR单片机通用I/O端口的主要特点为：
双向可独立位控的I/O口
ATmega16的PA、PB、PC、PD四个端口都是8位双向I/O口，每一位引脚都可以单独的进行定义，相互不受影响。如用户可以在定义PA口第0、2、3、4、5、6位用于输入的同时定义第1、7位用于输出，互不影响。
Push-Pull大电流驱动 (最大40mA)
每个I/O口输出方式均采用推挽式缓冲器输出，提供大电流的驱动，可以输出（吸入）20mA的电流，因而能直接驱动LED显示器。
可控制的引脚内部上拉电阻
每一位引脚内部都有独立的，可通过编程设置的，设定为上拉有效或无效的内部上拉电阻。当I/O口被用于输入状态，且内部上拉电阻被激活（有效）时，如果外部引脚被拉低，则构成电流源输出电流（uA量级）。
DDRx可控的方向寄存器。
AVR的I/O端口结构同其它类型单片机的明显区别是，AVR采用3个寄存器来控制I/O端口。一般单片机的I/O仅有数据寄存器和控制寄存器，而AVR还多了一个方向控制器，用于控制I/O的输入输出方向。由于输入寄存器PINx实际不是一个寄存器，而是一个可选通的三态缓冲器，外部引脚通过该三态缓冲器与MCU的内部总线连接，因此，读PINx时是读取外部引脚上的真实和实际逻辑值，实现了外部信号的同步输入。这种结构的I/O端口，具备了真正的读-修改-写（Read-Modify-Write）特性。
AVR单片机通用I/O口设计注意事项：
数据寄存器PORTx和数据方向寄存器DDRx为读/写寄存器，而端口输入引脚PINx为只读寄存器。
但是需要特别注意的是，对PINx 寄存器某一位写入逻辑"1“ 将造成数据寄存器相应位的数据发生"0“ 与“1“ 的交替变化。
当寄存器MCUCR 的上拉电阻禁止位PUD置位时所有端口引脚的上拉电阻都被禁止。
在 高阻态和输出高电平 两种状态之间进行切换时，上拉电阻使能或输出低电平这两种模式必然会有一个发生。编写程序时要注意两者的顺序。
通常，上拉电阻使能是完全可以接受的，因为高阻状态下强高电平输出还是上拉输出都是可以接受的。
如果使用情况不是这样，可以通过置位SFIOR 寄存器的PUD 来禁止所有端口的上拉电阻。
在上拉输入和输出低电平之间切换也有同样的问题。
用户必须选择高阻态或输出高电平作为中间步骤。
不论如何配置DDxn，都可以通过读取PINxn 寄存器来获得引脚电平
PINxn寄存器的各个位与其前面的锁存器组成了一个同步器。
这样就可以避免在内部时钟状态发生改变的短时间范围内由于引脚电平变化而造成的信号不稳定。
其缺点是引入了延迟。