?? avr的io結構分析與操作.htm
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<title>AVR的IO結構分析與范例</title>
</head>
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<p> <b><font face="黑體" size="6"> </font>
<font size="6">AVR的IO結構分析與操作</font></b></p>
<p><b>
作者 HJJourAVR www.OurAVR.com
</b></p>
<p><span style="font-style: normal">AVR的IO是真正雙向IO結構，由于大部分網友都是從標準51轉過來的，受標準51的準雙向IO和布爾操作概念影響，
沒能掌握AVR的IO操作，所以有必要撰文說明一下</span></p>
<p><span style="font-style: normal">其實采用真正雙向IO結構的新型MCU很多，常用的有 增強型51，PIC,AVR等</span></p>
<p><span style="font-style: normal">先簡單的回顧一下標準51的準雙向IO結構</span></p>
<p><img border="0" src="PICTURE/P0.gif" width="250" height="200"><img border="0" src="PICTURE/P1.gif" width="280" height="200"></p>
<p><img border="0" src="PICTURE/P2.gif" width="260" height="200"><img border="0" src="PICTURE/P3.gif" width="280" height="200"></p>
<p>這種<span style="font-style: normal">準雙向IO結構</span>的特點是 </p>
<p> 1 輸出結構類似 OC門，輸出低電平時，內部NMOS導通，驅動能力較強(800uA)；輸出高電平靠內部上拉電阻，驅動能力弱(60uA)。</p>
<p> 2 永遠有內部電阻上拉(P0口除外)，高電平輸出電流能力很弱，所以即使IO口長時間短路到地也不會損壞IO口<br>
(同理，IO口低電平輸出能力較強,作低電平輸出時不能長時間短路到VCC)</p>
<p> 3 作輸入時，因為OC門有"線與"特性,必須把IO口設為高電平(所以按鍵多為共地接法)</p>
<p> 4 作輸出時，輸出低電平可以推動LED(也是很弱的)，輸出高電平通常需要外接緩沖電路(所以LED多為共陽接法)</p>
<p> 5 軟件模擬 OC結構的總線反而比較方便-----例如 IIC總線</p>
<p>* P0口比較特殊，做外部總線時，是推挽輸出，做普通IO時沒有內部上拉電阻，所以P0口做按鍵輸入需要外接上拉電阻。</p>
<p>* OC門:三極管的叫集電極開路，場效應管的叫漏極開路，簡稱開漏輸出。具備"線與"能力,有0得0。</p>
<p>* 為什么設計成輸出時高電平弱，低電平強----是考慮了當年流行的TTL器件輸入特性</p>
<p> </p>
<p><img border="0" src="PICTURE/AVR_IO.gif" width="862" height="1022"></p>
<p>AVR的真正雙向IO結構就復雜多了，單是控制端口的寄存器也有4個 PORTx.DDRx,PINx,SFIOR(PUD位)，不過功能也強勁多了</p>
<p>作為通用數字I/O 使用時，所有AVR I/O 端口都具有真正的讀- 修改- 寫功能。<br>
這意味著用SBI 或CBI 指令改變某些管腳的方向( 或者是端口電平、禁止/ 使能上拉電阻) 時不會無意地改變其他管腳的方向( 或者是端口電平、禁止/
使能上拉電阻)。<br>
輸出緩沖器具有對稱的驅動能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅動LED。<br>
所有的端口引腳都具有與電壓無關的上拉電阻。<br>
并有保護二極管與VCC 和地相連。<br>
* (很多數字器件都有保護二極管，在低功耗應用時要考慮保護二極管的電流倒灌的影響)</p>
<p>每個端口都有三個I/O 存儲器地址:<br>
數據寄存器 – PORTx<br>
數據方向寄存器 – DDRx<br>
端口輸入引腳 – PINx。<br>
數據寄存器PORTx和數據方向寄存器DDRx為讀/ 寫寄存器，而端口輸入引腳PINx為只讀寄存器。<br>
但是需要特別注意的是，對PINx 寄存器某一位寫入邏輯"1“ 將造成數據寄存器相應位的數據發生"0“ 與“1“ 的交替變化。<br>
當寄存器MCUCR 的上拉禁止位PUD置位時所有端口引腳的上拉電阻都被禁止。</p>
<p>在( 高阻態) 三態({DDxn, PORTxn} = 0b00) 輸出高電平({DDxn, PORTxn} = 0b11) 兩種狀態之間進行切換時，<br>
上拉電阻使能({DDxn, PORTxn} = 0b01) 或輸出低電平({DDxn,PORTxn} = 0b10) 這兩種模式必然會有一個發生。<br>
通常，上拉電阻使能是完全可以接受的，因為高阻環境不在意是強高電平輸出還是上拉輸出。<br>
如果使用情況不是這樣子，可以通過置位SFIOR 寄存器的PUD 來禁止所有端口的上拉電阻。<br>
在上拉輸入和輸出低電平之間切換也有同樣的問題。<br>
用戶必須選擇高阻態({DDxn,PORTxn} = 0b00) 或輸出高電平({DDxn, PORTxn} = 0b10) 作為中間步驟。</p>
<p>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<br>
PINxn寄存器的各個位與其前面的鎖存器組成了一個同步器。<br>
這樣就可以避免在內部時鐘狀態發生改變的短時間范圍內由于引腳電平變化而造成的信號不穩定。<br>
其缺點是引入了延遲。</p>
<p>AVR IO具備多種IO模式:</p>
<p> 1 高阻態 ，多用于高阻模擬信號輸入，例如ADC數模轉換器輸入,模擬比較器輸入</p>
<p> 2 弱上拉狀態(Rup=20K~50K)，輸入用。為低電平信號輸入作了優化，省去外部上拉電阻，例如按鍵輸入，低電平中斷觸發信號輸入</p>
<p> 3 推挽強輸出狀態，驅動能力特強(>20mA),可直接推動LED，而且高低驅動能力對稱.</p>
<p>使用注意事項：</p>
<p> 寫用PORTx,讀取用PINx</p>
<p> 實驗時，盡量不要把管腳直接接到GND/VCC,當設定不當，IO口將會輸出/灌入
80mA(Vcc=5V)的大電流,導致器件損壞。</p>
<p> 作輸入時：</p>
<p>
1通常要使能內部上拉電阻，懸空(高阻態)將會很容易受干擾。(表面看好像是51的抗干擾能力強，是因為51永遠有內部電阻上拉，)</p>
<p> 2盡量不要讓輸入懸空或模擬輸入電平接近VCC/2，將會消耗太多的電流，特別是
低功耗應用場合------CMOS電路的特點</p>
<p> 3讀取軟件賦予的引腳電平時需要在賦值指令out 和讀取指令in 之間有一個時鐘周期的間隔，如nop
指令。</p>
<p>
4功能模塊(中斷，定時器)的輸入可以是低電平觸發，也可以是上升沿觸發或下降沿觸發。</p>
<p>
5用于高阻模擬信號輸入，切記不要使能內部上拉電阻，影響精確度。例如ADC數模轉換器輸入,模擬比較器輸入 </p>
<p> 作輸出時：</p>
<p> 采用必要的限流措施，例如驅動LED要串入限流電阻</p>
<p> 復位時:</p>
<p>
復位時內部上拉電阻將被禁用。如果應用中(例如電機控制)需要嚴格的電平控制，請使用外接電阻固定電平</p>
<p> 休眠時:</p>
<p> 作輸出的，依然維持狀態不變</p>
<p>
作輸入的，一般無效，但如果使能了第二功能(中斷使能)，其輸入功能有效。例如 外部中斷的喚醒功能。</p>
<p>AVR的C語言IO操作:</p>
<p> AVR的C語言基于ANSI
C，沒有像51那樣擴展了位操作(布爾操作)，雖然匯編指令里面有SBI/CBI/SBIC/SBIS指令</p>
<p> 所以需要采用 位邏輯運算 來實現
，這是必須要掌握的。</p>
<p>
IO口和功能寄存器的操作方法一樣,但對于部分功能寄存器的讀寫有特殊要求，請參看手冊。</p>
<p> 不必考慮代碼效率的問題，如果可能，GCCAVR會自動優化為SBI/CBI/SBIC/SBIS指令,跟匯編的效率是一樣的。</p>
<p> 例如 iom16.h
里面定義了 #define PA7 7 <br>
(這標準頭文件定義了MCU的所有官方定義(包括寄存器，位，中斷入口等)，但管腳的第二功能沒有定義)</p>
<p> 想PA7為1
PORTA|=(1<<PA7)； </p>
<p> 想PA7為0
PORTA&=~(1<<PA7)； </p>
<p> 想PA7取反
PORTA^=(1<<PA7)； </p>
<p> 想檢測PA7是否為1
if (PINA&(1<<PA7)) { }； </p>
<p> 想檢測PA7是否為0
if !(PINA&(1<<PA7)) { }； </p>
<p> * <<
為左移運算符，不懂的就要好好復習C語言基礎了。</p>
<p>注意IO操作的順序:</p>
<p> //上電默認DDRx=0x00,PORTx=0x00 輸入，無上拉電阻</p>
<p> 假設PA口驅動LED的負極，低電平燈亮</p>
<p> 初始化方法1:<br>
PORTA=0xFF; //內部上拉，高電平<br>
DDRA=0xFF;
//輸出高電平---------燈一直是滅的</p>
<p> 初始化方法2:<br>
DDRA=0xFF;
//輸出低電平--------燈被錯誤點亮了<br>
PORTA=0xFF;
//輸出高電平--------馬上被熄滅了，時間很短(1個指令不到uS時間)，燈閃了一下，眼睛無法察覺</p>
<p><br>
但要是這個IO口是控制炸藥包的點火信號呢？工控場合要考慮可靠性的問題
<br>
</p>
<p>模擬OC結構的IIC總線的技巧:</p>
<p> 雖然AVR大多帶有硬件IIC接口，但也有需要使用軟件模擬IIC的情況</p>
<p> 可以通過使用外部上拉電阻+控制DDRx的方法來實現OC結構的IIC總線。</p>
<p> IIC的速度跟上拉電阻有關，內部的上拉電阻阻值較大(Rup=20K~50K)，只能用于低速的場合</p>
<p> #define SDA 0
//PC0<br>
#define SCL 1
//PC1<br>
(程序初始化設定 SDA和SCL都是
PORT=0,DDR=0)<br>
#define SDA_0() DDRA|=(1<<SDA) //輸出低電平<br>
#define SDA_1() DDRA&=~(1<<SDA) //輸入，外部電阻上拉為高電平<br>
#define SCL_0() DDRA|=(1<<SCL) //輸出低電平<br>
#define SCL_1() DDRA&=~(1<<SCL) //輸入，外部電阻上拉為高電平<br>
<br>
使用上面的SDA_0()/SDA_1()/SCL_0()/SCL_1()宏即可，直觀，而且效率跟匯編是一樣的</p>
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