单片机的IO（GPIO）相关的知识点
注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。
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关于单片机的IO，大家可能有很多疑问？IO口的内部结构是怎么样的？高低电平的电压范围是多少？单片机IO配置不同的工作模式对应内部结构有什么区别？…… 本节课就重点给大家解答这些问题。
本节课重点介绍：
- 施密特触发器
- IO口的高低电平&高低电平的电压范围
- STM32单片机8种工作模式详解
- STC15单片机4种工作模式详解
- 电平转化电路
- 上拉电阻&拉电流&上拉电阻的应用电路
- 下拉电阻&灌电流&下拉电阻的应用电路
一、 施密特触发器
为了更好的理解单片机IO口内部的结构，我们先了解一下施密特触发器。
1.分类
- 同向输出
- 反向输出
2.工作特性讲解:
如下图：
UT+：正(同)向阈值电压 UT- ： 负(反)向阈值电压
UOH：输出高电平 UOL ： 输出低电平
同向输出施密特触发器 :
当输出电平为低时,输入电压低于正向阈值电压,保持低电平；高于正向阈值电压，输出变高
当输出电平为高时,输入电压高于负向阈值电压,保持高电平；低于负向阈值电压，输出变低
反向输出施密特触发器 :
输出的电平状态和同向正好相反；
3.施密特触发器功能总结：
功能说明：
施密特触发器可作为波形整形器，能将模拟信号整形为单片机内部方便处理的数字方波信号，由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰。
总结：
施密特触发器的作用：
- 将模拟信号转换成数字信号
- 提供抗干扰作用
二、 IO口高低电平&高低电平的电压范围
本小节主要给大家讲解2个问题：
- IO口高低电平的定义
- IO口高低电平的工作电压范围
1.高低电平的定义：
举例:
例如: sbit LED1 = P3^1;
LED1 = 1; 表示P3.1 输出高电平（用1表示）
LED1 = 0; 表示P3.1 输出低电平（用0表示）
高电平定义：
IO口作为数据输出的时候，IO口对应的数据寄存器bit位配置成1，IO口输出的电平，称为单片机的高电平，此时IO口的输出的电压，为高电平对应的电压值；
低电平定义：
IO口作为数据输出的时候，IO口对应的数据寄存器bit位配置成0，IO口输出的电平，称为单片机的低电平；此时IO口的输出的电压，称为低电平对应的电压值；
问：那单片机高低电平的电压范围是多少？
2.严格意义上的高低电平电压范围:
高电平电压是 VCC （单片机的供电电压 以STM32为例： VCC=3.3V）
低电平电压是 GND （0V）
3.IO口做输出功能时，高低电平的电压范围：
高电平：VCC 一般情况下，高电平就是单片机的供电电压
低电平: 0V.
4.IO口做输入功能时，高低电平的电压范围
①通过单片机数据手册获取输入高低电平的范围：
不同单片机，输入的高低电平的范围是不一样的，下面通过STC15和STM32F103为例，我们通过芯片说明书获取输入高低电平的范围。
- STC15单片机：以下截图来自芯片手册规格书
通过以上的问题，我们总结一下： 低电平：0-0.8V 高电平：2.2-VCC
- STM32单片机 以下截图来自芯片手册规格书
STM32单片机IO口的电平：
- 输入高电平范围： 0.65*VDD — VDD
- 输入低电平范围： 0 — 0.35*VDD
②输入的高低电平，硬件设计的时候注意事项：
通过规格书获取IO口输入的高低电平的电压范围，只能作为我们设计的参考。在产品设计的时候，低电平要尽可能的低（0V），高电平要尽可能的接近VCC。
备注：VCC和VDD都表示单片机的工作电压；
三、STM32单片机的IO的内部结构&8种工作模式
STM32F103在程序开发的时候的，有8种配置模式:
我们以视频的形式解析这8中形式的工作模式对应的内部结构：（图片来自STM32规格书）
1. 模拟输入:
当IO口用作ADC功能的时候，IO需要配置成模拟输入。
2.浮空输入:
3.上拉输入:
4.下拉输入:
5.推挽输出:
推挽结构：一般是指两个MOS管（或三极管）分别受两个互补信号的控制。
同一时刻，总是有一个MOS管（或三极管）导通，另外一个截止。高低电平由单片机的IO的数据寄存器控制的，VDD是由单片机电源决定。
- 输出高电平:
- 输出低电平:
6.开漏输出:
开漏是什么意思？
我们可以把开漏模式等效成以下的电路， 由于漏极是连接单片机的IO口，当内部的MOS管关闭的时候，MOS管的漏极是悬空断开的，所以叫开漏模式。
开漏输出的时候，外部必须要设计外部上拉电阻才可以正常的使用。
STM32单片机开漏模式时:
7.复用-开漏模式:
复用功能：GPIO口做串口、SPI、定时器捕获等功能的时候配置；
8.复用-推挽模式:
复用功能：GPIO口做串口、SPI、定时器捕获等功能的时候配置；
四、STC15 IO口内部结构（4种工作模式对应的内部结构解析）
本小节的主要内容：
- STC15单片机IO口4种工作模式的介绍
- 4种工作模式对应的内部结构解析
1.STC15单片机的IO的四种工作模式：
以下图片截自STC15单片机的规格书。
通过上图，我们可以知道，STC15单片机可以配置成准双向口、推挽输出、高阻输入、开漏。
2. 四种工作模式对应的内部结构：（了解）
关于STC15单片机的IO结构，规格上有很详细的说明，大家可以结合芯片规格书，来理解下面的内容。
①准双向IO口
此工作模式，STC15单片机的IO支持数据的输入和输出；
- 内部结构：
- 数据输出：
- 数据输入：
②推挽输出
- 内部结构：
- 数据输出：
- 数据输入:
③高阻输入
高阻模式在产品开发过程中，使用的相对比较少，我们直接通过规格书来查看，什么时候配置成高阻输入模式。（通过视频讲解）
④开漏模式
- 开漏模式使用说明：
即可读取外部状态，也可对外部输出（高电平或低电平）。如果要正确的读取外部的状态或需要对外部输出高电平，需外加上拉电阻。
- 数据输入和输出的工作原理（通过视频讲解）
3. STC15单片机IO在准双向IO口模式时，做数据输入的时候，为什么需要先输出高电平，才能正确的读取外部电平？
- 规格书文档说明：
- 原理分析
如果IO输出低电平的时候，红色圈起来的MOS导通，此时IO的电平恒定位0V（低电平），所以此时不管外部输入什么信号，数据输入端的电平都是低电平。
五、电平转换电路
如果两个通讯的芯片的高电平电压不一致，如何处理？
如下图，左边是STM32单片机芯片，右边是4G模块。 STM32单片机的高电平电压是3.3V，4G模块的高电平是1.8V，两个芯片通讯高电平不匹配，因此需要考虑电平转换电路。
关于以上电路在三极管课程中，给大家讲解过，这里直接跳过。
六、 上拉电阻&拉电流
1.上拉电阻的定义：
电阻的一端连接VCC电源，一端连接IO口(或GPIO口)，让IO口的电平保持在高电平，这个电阻称为上拉电阻。
2.上拉电阻的分类和区别：
在单片机电路中，上拉电阻可以分为：IO内部上拉电阻 和外部上拉电阻。
IO口内部上拉电阻：单片机内部集成，阻值不可更改。
外部上拉电阻：由硬件工程师设计，阻值可以按照电路的需求来设计，阻值可以更改。
大多数单片机的IO内部都会集成上拉电阻，在产品设计中，我们也会尽可能的选择单片机的内部上拉电阻，这样可以减少单片机外部元器件的数量，降低成本等。 如果内部上拉电阻不能满足需求的时候，我们就需要在IO的外部设计外部上拉电阻。
3.单片机IO内部配置了上拉电阻，外部硬件设计也加了上拉电阻，有什么影响？
如上图：内部上拉电阻是R1,外部R2是外部上拉电阻，对产品的功能，一般情况下，基本上没有影响。 影响的这个IO口的上拉电阻的阻值， 上图的上拉电阻的阻值，是R1 和R2并联之后的电阻值。
4.如何估算单片机内部上拉电阻的阻值？(了解)
如下图，在单片机的IO口串联一个电阻（阻值：1K）到GND，用万用表测量IO口的电流I;
假如电压VCC:3.3V 测的电流是：0.3mA; R = R1+R2; R1=1K R2上拉电阻；
按照欧姆定律: R = U/I = 3.3V/0.0003A = 11000 Ω； 上拉电阻R2 = R – R1 =11K-1K = 10K;
所以这个单片机的上拉电阻的阻值是：10K;
5.IO的拉电流介绍
上拉电阻的阻值的大小，对IO口的功能有什么影响？ 不同的阻值，对影响IO的拉电流大小。
- 拉电流的概念:
高电平输出时，一般是输出端对负载提供电流，其提供电流的数值叫做拉电流。
如下图的电流I,称为单片机IO口的拉电流。（ RL代表负载）
- 拉电流的大小对电路的影响：
如下图，电流I越大，LED灯的亮度越高，越小，LED灯亮度越低；
6.上拉电阻的应用电路1：在低功耗产品中，上拉电阻的设计
在电池供电的产品中，为了降低产品的待机电流，我们需要考虑上拉电阻的取值，我们以下面的电路为例给大家讲解一下
网络标号GUAN 连接IO口P3.4，如果干簧管R7导通的时候，GUAN和GND连接导通，此时，P3.4的和GND连接；如果此时单片机配置成准双向IO口，则P3.4IO口的等效电路如下，R2是内部上拉电阻。
由于内部的上拉电阻的阻值是固定的，所以此时P3.4的拉电流是固定的。
如果我们需要把拉电流变得更小，如何处理？ 我们可以把P3.4的IO口配置成开漏模式，外部设计一个阻值更大的上拉电阻R1/4.7M; 拉电流 = VCC/R1 = 3.3V / 4.7M = 0.7uA
总结：可以通过增加上拉电阻的阻值，降低IO的拉电流，从而降低产品的功耗。
注意：在产品设计中，上拉电阻要选择合适的取值，阻值太大，可能会导致功能异常。
7.上拉电阻的应用电路2： EEPROM电路
以下电路我们在电阻部分给大家讲解过，由于内部的上拉电阻的阻值比较大，拉电流比较小，可能会导致EEPROM工作不稳定，所以我们需要外部设计一个阻值比内部上拉电阻更小的上拉电阻，从而增加拉电流。
（以下电路更加详细的讲解，大家可以复习电阻课程的应用电路5）
总结：如果单片机内部的上拉电阻的拉电流比较小，不能满足产品需求的时候，我们需要在单片机的外部设计一个阻值更小的上拉电阻，增大拉电流，用来满足产品的需求。
上拉电阻应用总结：
- 应用电路1，断开内部上拉电阻，设计阻值更大的外部上拉电阻，减小拉电流，降低功耗
- 应用电路2，设计阻值更小的外部上拉电阻，增大拉电流，满足负载的需求。
因此在不同的应用电路中，我们要按照电路的需求，选择合适的上拉电阻，来满足产品的功能需求。
七、 下拉电阻&灌电流
1.下拉电阻的定义：
电阻的一端连接GND,一端连接IO口，将IO口不确定的状态保持在低电平，这个电阻称为下拉电阻。
2.下拉电阻的分类和区别：
在单片机电路中，下拉电阻可以分为：IO内部下拉电阻 和外部下拉电阻。
IO口内部下拉电阻：单片机内部集成，阻值不可更改。
外部下拉电阻：由硬件工程师设计，阻值可以按照电路的需求来设计，阻值可以更改。
有些单片机的IO内部是没有集成下拉电阻（STM32内部有下拉电阻，STC15没有），所以在产品设计中，如果有下拉电阻的需求，我们需要在IO口外部设计外部下拉电阻。
3.IO的灌电流的介绍
下拉电阻的阻值的大小，对IO口的功能有什么影响？ 不同的阻值，会影响IO的灌电流
灌电流的概念：低电平输出时，一般是输出端要吸收负载的电流，其吸收电流的数值叫做灌电流
如下图的电流I,称为IO口的灌电流。（ RL代表负载）
5.单片机电路中，IO口对灌电流的要求:
单片机电路设计中，对IO口的灌电流是有要求的，以STC15单片机为例,如下图，每个IO口的灌电流最大不能超过20mA; 对单片机整体来说，灌电流+拉电流 不能超过90mA;
如下图：P3.0控制LED2灯亮灭，当P3.0输出低电平的时候,LED2亮；
P3.0的灌电流 =（ 3.3V – 2V(LED2消耗的电流)）/1K = 1.3mA; 所以P3.0的灌电流是1.3mA;
6.下拉电阻应用电路:
下拉电阻在实际应用中，应用的比较少，这里举2个应用电路:
①应用电路1： 让IO保持在低电平
下拉电阻R40的作用是将GPIO15电平保持在低电平。
②应用电路2：（按键检测电路）
如下图，是一个按键检测的电路，单片机是STC15系列单片机。 P3.0检测按键的状态。
电路工作状态分析：
按键未按下：
SW3断开，R11接地，P3.0电压是 0V. 低电平；
按键按下：
SW3闭合，R11接地，R11上端接VCC,P3.0电压是 3.3V. 高电平；
总结：按键按下和松开，P3.0口的电平不一样，P3.0 可以检测按键的状态；
由于51单片机的内部，没有集成下拉电阻，所以必须要在外部加下拉电阻；如果不加R11这个下拉电阻，按键按下和松开，IO口检测的电平都是高电平，无法识别IO的状态。
R10的作用：降低P3.0 IO口的灌电流，保护IO口,防止IO被损坏。
重点回顾：
如何深入的分析单片机IO口的工作状态:
关于单片机IO口的使用，为了方便大家更好的理解单片机IO工作的原理，我们在深入的给大家讲解一下：
如下图：STM32单片机PB9 控制LED3的亮灭；
我们结合STM32单片机的内部结构，紫色线虚线框起来的部分，是一个内部结构的等效电路；
PB9数据寄存器输入0：Q16导通，Q17断开，LED2灭；
PB9数据寄存器输入1：Q17导通，Q16断开，LED2亮；
以上就是IO口输出控制的原理。IO口其他模式的控制大家也可以通过同样的方式来分析
学习要求:
- 施密特触发器 （要求：了解）
- IO口的高低电平&高低电平的电压范围（要求：理解并掌握）
- STM32单片机8种工作模式详解（要求：了解）
- STC15单片机4种工作模式详解（要求：了解）
- 电平转化电路（要求：理解并掌握）
- 上拉电阻&拉电流&上拉电阻的应用电路（要求：理解并掌握）
- 下拉电阻&灌电流&下拉电阻的应用电路（要求：理解并掌握）
其次，对于课程中讲解的很多理论知识，大家可以通过实际的项目实战进一步去理解和掌握，不需要大家死记硬背。