单片机I/O端口的用法-讨论一下单片机ATMega16的端口结构

通过前面例子的讲解，已经基本了解了单片机I/O口的使用方法。为了更好、更深入地使用I/O端口，我们来详细讨论一下AVR单片机ATMega16的端口结构。

输入/输出口（I/O口）是单片机可以依靠的唯一控制通道。如果把单片机的核心比作人脑，那么I/O口就相当于人的五官和四肢，负责信息的获取。而动作的执行，没有I/O口的单片机本身就变得毫无意义，所以有必要详细了解它们的内部结构。ATMega16 的端口是一个双向 I/O 端口输入输出端口是一种技术，带有一个可选的上拉电阻。以下是其中一个 I/O 端口的内部结构图（来自数据表）。

上图中，Pxn 为该位的输入/输出端口，为单片机的外部引脚。它通过 PORTxn 寄存器连接到数据总线（DATA BUS）。上例中对 PORTxn 的赋值实际上是通过数据总线写这个寄存器来实现的。图中还可以看出，Pxn和PORTxn之间其实还有一个门控位。如果要将PORTxn的结果输出到Pxn，则门控位必须打开，门控位受控信号来自DDxn（DDRx中的位）寄存器。通过数据总线向该寄存器位写1，可以打开门控位，输出信号可以直接输出到引脚Pxn。这也是为什么如果 MCU 引脚要处于输出状态，DDRx 方向寄存器必须被赋值为 1 的原因。如果给DDxn赋值0，则门控位断开，引脚Pxn不能用作输出，只能用作输入。但是输入信号可以从两个地方取，一个是直接从外部引脚Pxn（图中下半部分）取，其实就是将外部引脚的信号锁存到PINxn寄存器中读取；另一个取自输出寄存器PORTxn（图中门控位控制信号为RRx）。一般称为“取自外部引脚（PINxn）”作为读引脚，“取自寄存器PORTxn”称为读端口寄存器。并且引脚Pxn不能用作输出，而只能用作输入。但是输入信号可以从两个地方取，一个是直接从外部引脚Pxn（图中下半部分）取，其实就是将外部引脚的信号锁存到PINxn寄存器中读取；另一个取自输出寄存器PORTxn（图中门控位控制信号为RRx）。一般称为“取自外部引脚（PINxn）”作为读引脚，“取自寄存器PORTxn”称为读端口寄存器。并且引脚Pxn不能用作输出输入输出端口是一种技术，而只能用作输入。但是输入信号可以从两个地方取，一个是直接从外部引脚Pxn（图中下半部分）取，其实就是将外部引脚的信号锁存到PINxn寄存器中读取；另一个取自输出寄存器PORTxn（图中门控位控制信号为RRx）。一般称为“取自外部引脚（PINxn）”作为读引脚，“取自寄存器PORTxn”称为读端口寄存器。外部引脚的信号被锁存到PINxn寄存器中读取；另一个取自输出寄存器PORTxn（图中门控位控制信号为RRx）。一般称为“取自外部引脚（PINxn）”作为读引脚，“取自寄存器PORTxn”称为读端口寄存器。外部引脚的信号被锁存到PINxn寄存器中读取；另一个取自输出寄存器PORTxn（图中门控位控制信号为RRx）。一般称为“取自外部引脚（PINxn）”作为读引脚，“取自寄存器PORTxn”称为读端口寄存器。

从图中还可以看出，引脚Pxn上方，有一个由MOS管控制的上拉电阻。MOS管同时由PUD位、DDxn位和PORTxn位控制。当引脚用作输入时（DDxn=0），将 PORTxn 赋值为 1 后，PUD 可以控制该引脚是否使用上拉电阻。当 PUD 位为 0 时，上拉up 电阻有效，否则相反。.PUD 存在于寄存器 SFIOR 的第 2 位，见下图。

下图是端口A代表的三个寄存器的具体配置：

从图中可以看出，PORT和DDR寄存器是可读写的，而PIN寄存器是只读的。对于寄存器中各个位的操作，可以在IAR开发环境中直接引用，在第二个例子中已经说明。下表显示了这些寄存器组合的具体配置：

使用 I/O 端口时还有几点需要注意：

1、当用作通用数字 I/O 时，所有 I/O 端口都具有真正的读-修改-写功能。

2、无论DDxn如何配置，都可以通过读取PINxn寄存器来获得引脚电平。

3、读取软件分配的管脚电平时，分配指令和读取指令之间需要至少有一个时钟周期间隔（可以插入一条nop指令）。

4、如果有些管脚不用，建议给这些管脚分配一定的电平。

5、复位时，上拉电阻被禁用，引脚处于高阻抗状态。

6、每个I/O端口在稳态条件下可以承受的拉电流或灌电流为：VCC=5V时为20mA，VCC=3V时为10mA。

7、所有端口的拉电流或灌电流之和不能超过400mA，端口A、B、C、D各自的拉电流或灌电流之和不能超过200mA（DIP封装模式下，端口B、C、D 高达 300mA）。

除了通用数字 I/O 功能外，大多数端口引脚还具有辅助功能，称为端口复用。因为单片机的管脚毕竟是有限的，而且用作通用数字I/O口的管脚大部分情况下不一定用完，所以单片机没必要单独做管脚实现其他功能。例如，A/D（模拟/数字）转换不需要作为单片机的输入引脚，而是直接将此功能附加到 PORTA 的 I/O 端口。这样，PORTA的8个引脚就有了第二个功能，即作为A/D转换的信号输入端。当然，某个时间只能使用其中一个功能，不可能同时使用两个功能，所以称为多路复用。这里需要注意的是，所谓的第二个函数只是一个声明。一些单片机的管脚非常复用，可以实现两个以上的功能。

要实现引脚的第二个功能，端口的内部结构比较复杂，这里不再深入讨论。下面只给出ATMega16单片机引脚复用的第二个功能。

要实现端口的第二个功能，当然必须有相关的寄存器进行选择控制。不同的第二个函数配置的寄存器不同，配置方法也不同，所以要根据实际情况来确定。引脚第二个功能的具体使用将在后续相关讨论中详细介绍