AVR單片機(jī)i/o(輸入/輸出)端口詳解

通過前面示例的講解，已基本知道了單片機(jī)I/O端口的用法。為了更好、更深入地運(yùn)用好I/O端口，下面再來詳細(xì)討論一下AVR單片機(jī)ATMega16的端口結(jié)構(gòu)。

輸入/輸出端口（I/O端口）是單片機(jī)所能依賴進(jìn)行控制的唯一通道，如果把單片機(jī)內(nèi)核比作人的大腦，那I/O端口就相當(dāng)于人的五官和四肢，負(fù)責(zé)著信息的獲取和動作的執(zhí)行，如果沒有I/O端口單片機(jī)本身就變得毫無意義，因此很有必要來詳細(xì)了解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。ATMega16的端口為具有可選上拉電阻的雙向I/O端口，下面是其中某一位I/O口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（來自于Datasheet）。

在上圖中，Pxn就是這一位的輸入/輸出端口，也就是單片機(jī)的某個(gè)外部引腳。它通過PORTxn寄存器和數(shù)據(jù)總線（DATA BUS）相連。前面示例中對PORTxn的賦值其實(shí)就是通過數(shù)據(jù)總線來寫這個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)的。在圖中還可以看到，在Pxn和PORTxn之間實(shí)際上還串有一個(gè)門控位，如果要讓PORTxn的結(jié)果輸出至Pxn，那這個(gè)門控位必須得打開，而該門控位的受控信號來自于DDxn（DDRx中的一位）寄存器。通過數(shù)據(jù)總線對該寄存器位寫1，就可打開門控位，讓輸出信號直接輸出至引腳Pxn。這也正是為什么單片機(jī)引腳要處于輸出狀態(tài)就必須要給DDRx方向寄存器賦值1的原因所在。如果給DDxn賦值0，則門控位斷開，引腳Pxn不能做為輸出，只能做為輸入。但輸入信號可以取自兩個(gè)地方，一個(gè)是直接從外部引腳Pxn來取（圖中的下半部分），實(shí)際上是把外部引腳的信號鎖存到PINxn寄存器中來讀取；另一個(gè)則是從輸出寄存器PORTxn來?。▓D中門控位控制信號為RRx的地方）。一般稱“從外部引腳（PINxn）來取”為讀引腳，稱“從寄存器PORTxn來取”為讀端口寄存器。
從圖中還可以看出，在引腳Pxn的上方，有一個(gè)受控于MOS管的上拉電阻。而MOS管又同時(shí)受到PUD位、DDxn位和PORTxn位的共同控制。當(dāng)引腳做為輸入時(shí)（DDxn=0），在給PORTxn賦值1后，通過PUD就可以控制引腳是否使用上拉電阻。當(dāng)PUD位為0時(shí)，上拉電阻有效，否則相反。PUD存在于寄存器SFIOR中的第2位，見下圖。

下面幾個(gè)圖給出了以端口A為代表的三個(gè)寄存器配置的具體情況：

從圖中可以看出，PORT和DDR兩個(gè)寄存器為可讀可寫的，而PIN寄存器為只讀的。對于寄存器中每一位的操作，在IAR開發(fā)環(huán)境中可以直接引用，這在第二個(gè)示例中已經(jīng)闡述過了。下表給出了這幾個(gè)寄存器組合配置的具體情況：

在使用I/O端口時(shí)還有幾點(diǎn)需要說明一下：
1、作為通用數(shù)字I/O使用時(shí)，所有I/O端口都具有真正的讀――修改――寫的功能。
2、不論如何配置DDxn，都可以通過讀取PINxn寄存器來獲得引腳電平。
3、讀取軟件賦予的引腳電平時(shí)，需要在賦值指令和讀取指令之間至少有一個(gè)時(shí)鐘周期的間隔（可插入一條nop指令）。
4、如果某些引腳未被使用，建議還是給這些引腳賦予一個(gè)確定電平。
5、復(fù)位時(shí)，上拉電阻將被禁用，各引腳為高阻態(tài)。
6、穩(wěn)定狀態(tài)條件下每個(gè)I/O端口可以承受的拉電流或灌電流為：VCC=5V時(shí)為20mA、VCC=3V時(shí)為10mA。
7、所有端口拉電流或灌電流的總和不能超過400mA，且端口A、B、C、D各自的拉電流或灌電流總和不能超過200mA（在DIP封裝方式下，端口B、C、D可達(dá)300mA）。
除了通用數(shù)字I/O功能之外，大多數(shù)端口引腳都還具有第二功能，這也就是所謂的端口復(fù)用。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的引腳畢竟是有限的，而且在大多數(shù)時(shí)候做為通用數(shù)字I/O口的引腳不一定全部用完，所以不必為單片機(jī)再實(shí)現(xiàn)其它功能而單獨(dú)制作引腳。比如A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換，就可不必再單獨(dú)為單片機(jī)做輸入引腳，而直接把這個(gè)功能附屬在PORTA的I/O口上就可以了。這樣PORTA的八個(gè)引腳就有了第二功能，即做為A/D轉(zhuǎn)換的信號輸入端。當(dāng)然，在某個(gè)時(shí)刻只能使用其中的一種功能，不可能兩種功能同時(shí)使用，所以才稱之為復(fù)用。這里要注意，所謂的第二功能只是一種說法，有些單片機(jī)的引腳復(fù)用的很厲害，可以實(shí)現(xiàn)兩種以上的功能。
要實(shí)現(xiàn)引腳的第二功能，其端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這里就不再進(jìn)行深入探討了，以下僅給出ATMega16單片機(jī)引腳復(fù)用的第二功能。

要實(shí)現(xiàn)端口的第二功能，當(dāng)然還必須得有相關(guān)的寄存器來進(jìn)行選擇控制。不同的第二功能所配置的寄存器不同，配置方式也不一樣，因此要根據(jù)實(shí)際情況來確定。引腳第二功能的具體使用會在后續(xù)的相關(guān)討論中進(jìn)行詳細(xì)講述