AVR单片机IO口结构和上拉和下拉电阻的作用

为搞清IO结构，首先看看上拉和下拉电阻的作用。

一、上拉电阻

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平！电阻同时起限流作用！下拉同理！

上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的。一般说法是拉电流，下拉电阻是用来吸收电流。

1、在用TTL电路驱动CMOS电路时，若TTL的高电平低于CMOS要求的高电平的门限值（1，TTL电平： 输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平 是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是 0.4V。 2，CMOS电平： 1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。），此时需用上拉电阻来提升输出高电平的电压值 。

2、OC门必须外加上拉电阻，才能使用。（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。 ）

3、为加大输出管脚的驱动能力，单片机的引脚常接入上拉电阻，（AVR单片机可配置是否接上拉，51单片机P1 P2 P3均带上拉，P0口不带，所以用P0口做按键，液晶等应用时要自己加上上拉电阻，否则无法使用切记）

4、CMOS芯片上为防止静电破坏，不用的管脚不能悬空，需要接上拉电阻降低输入阻抗，提供泄荷通路。

5、提高总线的搞电磁干扰能力，悬空就容易就电磁干扰。

二、上拉电阻阻值的选择

1、为节约功耗或使灌电流足够大，阻值要大，电流小。

2、为确保足够的驱动电流，阻值要小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能导致边沿变得平缓。

基于以上三点，一般选取上拉阻值为1K-10K。

三、上拉阻值的计算

OC门输出高电平时是一个高阻态，其上拉电流要由上拉电阻来提供，设输入端每端口不大于100uA,设输出口驱动电流约500uA，标准工作电压是5V，输入口的高低电平门限为0.8V(低于此值为低电平)；2V(高电平门限值)。

选上拉电阻时：

500uA x 8.4K= 4.2即选大于8.4K时输出端能下拉至0.8V以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。如果输出口驱动电流较大，则阻值可减小，保证下拉时能低于0.8V即可。

当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口需200uA

200uA x15K=3V即上拉电阻压降为3V，输出口可达到2V，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2V了。选10K可用。COMS门的可参考74HC系列

设计时管子的漏电流不可忽略，IO口实际电流在不同电平下也是不同的，上述仅仅是原理，一句话概括为：输出高电平时要喂饱后面的输入口，输出低电平不要把输出口喂撑了（否则多余的电流喂给了级联的输入口，高于低电平门限值就不可靠了）

在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平，通过1k电阻接高电平或接地。

四、51型单片机IO口

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)

五、AVR单片机IO口（千呼万唤始出来）

端口引脚配置
DDxn PORTxn PUD (in SFIOR) I/O 上拉电阻 说明
0 0 X 输入 No 高阻态 (Hi-Z)
0 1 0 输入Yes 被外部电路拉低时将输出电流
0 1 1 输入 No 高阻态(Hi-Z)
1 0 X 输出 No 输出低电平 ( 漏电流)
1 1 X 输出 No 输出高电平 ( 源电流)

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输入状态：

一、上拉输入状态：

1、在IO口线悬空时读入PINxn的值为1，状态稳定
2、在IO口线外接输入信号时读入PINxn的值随外部信号高低电平变化而变化

二、高阻输入状态：

1、在IO口线悬空时读入PINxn的值为0，且极易受到干挠，状态很不稳定
2、外接上拉电阻，在IO口线外接输入信号时读入PINxn的值随外部信号高低电平变化而变化（等同于内接上拉电阻）

输出状态：

在输出状态下，PORTxn=0则输出为低电平，PORTxn=1则输出为高电平

1、输出低电平，IO口线悬空时读入PINxn的值为0

2、输出低电平，IO口线连接VCC或强上拉（指上拉阻值很小，相当于直接连接VCC，能提供足够的上拉电流）时读入PINxn的值为1

3、输出高电平，IO口线悬空时读入PINxn的值为1

4、输出高电平，IO口线连接GND或强下拉（指下拉阻值很小，相当于直接连接GND，能吸收足够的下拉电流）时读入PINxn的值为0

由于无论如何配置DDRxn，我们都可以读取PINxn值，综上所述，我们在读取PINxn的值时，要想获得正确且稳定的值，

应该选择在内部上拉输入或高阻输入且外部上拉这两种方式中进行。当然在选择内部上拉输入且外部也上拉的方式也是

可以的，只是内部和外部都加上拉（重复上拉）没有什么意义。

还有一点就是我们在读取软件赋予的电平时，读PINxn值之前，要插入一个NOP。

也就是说在IO口输出逻辑电平之后再读入这个输出的值中间应插入一个NOP。

AVR的真正双向IO结构就复杂多了，单是控制端口的寄存器也有4个

PORTx.DDRx,PINx,SFIOR(PUD位)，不过功能也强劲多了

作为通用数字I/O 使用时，所有AVR I/O 端口都具有真正的读- 修改- 写功能。

这意味着用SBI 或CBI 指令改变某些管脚的方向( 或者是端口电平、禁止/ 使能上拉电阻) 时不会无意地改变其他管脚的方向( 或者是端口电平、禁止/ 使能上拉电阻)。

输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。

所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。

并有保护二极管与VCC 和地相连。

* (很多数字器件都有保护二极管，在低功耗应用时要考虑保护二极管的电流倒灌的影响)

每个端口都有三个I/O 存储器地址:

数据寄存器 –PORTx
数据方向寄存器–DDRx
端口输入引脚 –PINx。

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) 三态({DDxn, PORTxn} = 0b00) 输出高电平({DDxn, PORTxn} = 0b11) 两种状态之间进行切换时，

上拉电阻使能({DDxn, PORTxn} = 0b01) 或输出低电平({DDxn,PORTxn} = 0b10) 这两种模式必然会有一个发生。

通常，上拉电阻使能是完全可以接受的，因为高阻环境不在意是强高电平输出还是上拉输出。

如果使用情况不是这样子，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({DDxn,PORTxn} = 0b00) 或输出高电平({DDxn, PORTxn} = 0b10) 作为中间步骤。