实现单片机与FPGA的双向并口通信

这个暑假我在进行电子竞赛的培训，对于这个问题找到了一些相关的资料，可以提供一些帮助。

如果是这方面的高手的话，其实会发现这个原理很简单，只要理解一些I/O口的设置就能完成了。但是如果对于单片机或者FPGA的I/O口的电路不理解的话可能就会走许多的歪路了。

闲话少说，进入正题。

首先，还是要理解所谓的推挽输出与漏极输出两者的区别。先说说漏极开路（OD)，它与集电极开路（OC）是一致的，就是把下图的三极管改成CMOS管就是了。

集电极开路（OC）输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

为了方便理解，我们把上面的图1改写成图2的样子。

图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。也就是说这个输出端的电平是受负载的影响的。这样是很不稳定的，要避免这种情况。最多的就是使用上拉电阻。

再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1K电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的漏电流），所以流过的电流为0，因此在1K电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5V了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的（即1KΩ），如果接一个电阻为R的负载，通过分压计算，就可以算得最后的输出电压为5*R/(R+1000)伏，即5/(1+1000/R)伏。所以，如果要达到一定的电压的话，R就不能太小。如果R真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1K的上拉电阻来增加驱动能力（所谓的驱动力，往往与电流有关的）。但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。

P.S：说到OC门的话，大家都能想到三态门，那么就不得不提起它的“线与”功能了，这个功能是很方便的。操作上面也很简单。如下附图：

另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起OC或者OD来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，有些单片机的一些IO口就是这种结构。

总结：从上面也可以知道了，I/0输出有两种方式。那么现在的难点就是如何让I/0口输入数据。其实上面已经讲过了，就是只需要把输出设置为高阻状态就可以了。那么有些新人就会问了，都设成高阻状态了，数据还怎么输入啊？这其实是一个误区，其根本是没有理解I/O口的结构。

如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端（这就是上面疑惑的答案了），这样就是一个IO口了（51的IO口就是这样的结构，其中P0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉），如图4所示。当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，也就是要把下面的z=1,这样就相当于那个开关断开，而对于P0口来说，就是高阻态了。

到现在为止，已经把输入输出端口原理已经讲明了了。如果理解了上面所讲的，那么写程序也就是的把对应的端口进行设置就OK了，比较简单的。如果不明白，可以问我，QQ或者邮件都可以，最后我会留下联系方式的。