输入IO
这里所说的输入IO，指的是只作为输入，不具有输出功能。此时对于input引脚的要求就是高阻（高阻与三态是同一个概念）。基本输入电路的类型大致可以分为3类：基本输入IO电路、施密特触发输入电路以及弱上拉输入电路。
先从最基本的基本输入IO电路说起，其电路如图 1所示。
图 1
其中的缓冲器U1是具有控制输入端，且具有高阻抗特性的三态缓冲器。通俗地说就是这个缓冲器对外来说是高阻的，相当于在控制输入端不使能的情况下，物理引脚与内部总线之间是完全隔离的，完全不会影响内部电路。而控制输入端的作用就是可以发出读Pin状态的操作指令。其过程如图 2所示。
图 2
这种基本电路的一个缺点是在读取外部信号的跳变沿时会出现抖动，如下图所示。
图 3
于是施密特触发输入电路就是解决了上述这种抖动的问题，其经过施密特触发器后的信号如图 4所示。
图 4
对于输入电路还存在另外一个问题，就是当输入引脚悬空的时候，输入端检测到的电平是高还是低？当输入信号没有被驱动，即悬空(Floating)时，输入引脚上任何的噪声都会改变输入端检测到的电平，如图 5所示。
图 5
为了解决这个问题，可以在输入引脚处加一个弱上拉电阻，如图 6所示。
图 6
这样，当输入引脚悬空时，会被RP上拉到高电平，在内部总线上就有确定的状态了。
但是这种结构是有一定问题的。首先很明显的一点是，当输入引脚悬空时读到的是1，当输入引脚被高电平驱动时读到的也是1，只有当输入引脚被低电平驱动时读到的才是0。也就是对于读1采取的方式是"读取非零"的方式。
另一个问题是该电路对外呈现的不是高阻，某种意义上说也在向外输出，当外部驱动电路不同时可能出现错误的检测结果。例如外部驱动电路是如图 7所示的结构，该电路结构中通过K打到不同端可以输出高电平或者低电平。
图 7
如果将如图 7所示的电路输出低电平，连接到带有弱上拉电阻的输入引脚，其结构如下所示。
图 8
由欧姆定律知，测试点处的电平是
这种情况的发生也说明了：信号前后两级传递，为什么需要输出阻抗小，输入阻抗大的原因。在这个例子中，外围驱动电路的输出阻抗很大，达到了100Kohm;而输入端的阻抗又不够大，只有10Kohm，于是就出现了问题。如果输入端的输入阻抗真正做到高阻（无穷大），如下所示，就不会出现问题。
图 9
上面提到的这个带弱上拉的输入电路，也就是在后续章节会提到的准双向端口的情况。
输出IO
IO输出电路最主要的两种模式分别是推挽输出（Push-Pull Output）和开漏输出（Open Drain Output）。
推挽输出（Push-Pull Output）
推挽输出的结构是由两个三极管或者MOS管受到互补信号的控制，两个管子始终保持一个处于截止，另一个处于导通的状态。如图 10所示。
图 10
推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力。
补充说明：所谓的驱动能力，就是指输出电流的能力。对于驱动大负载（即负载内阻越小，负载越大）时，例如IO输出为5V，驱动的负载内阻为10ohm，于是根据欧姆定律可以正常情况下负载上的电流为0.5A（推算出功率为2.5W）。显然一般的IO不可能有这么大的驱动能力，也就是没有办法输出这么大的电流。于是造成的结果就是输出电压会被拉下来，达不到标称的5V。
当然如果只是数字信号的传递，下一级的输入阻抗理论上最好是高阻，也就是只需要传电压，基本没有电流，也就没有功率，于是就不需要很大的驱动能力。
对于推挽输出，输出高、低电平时电流的流向如图 11所示。所以相比于后面介绍的开漏输出，输出高电平时的驱动能力强很多。
图 11
但推挽输出的一个缺点是，如果当两个推挽输出结构相连在一起，一个输出高电平，即上面的MOS导通，下面的MOS闭合时；同时另一个输出低电平，即上面的MOS闭合，下面的MOS导通时。电流会从第一个引脚的VCC通过上端MOS再经过第二个引脚的下端MOS直接流向GND。整个通路上电阻很小，会发生短路，进而可能造成端口的损害。这也是为什么推挽输出不能实现" 线与"的原因。
开漏输出（Open Drain Output）
常说的与推挽输出相对的就是开漏输出，对于开漏输出和推挽输出的区别最普遍的说法就是开漏输出无法真正输出高电平，即高电平时没有驱动能力，需要借助外部上拉电阻完成对外驱动。下面就从内部结构和原理上说明为什么开漏输出输出高电平时没有驱动能力，以及进一步比较与推挽输出的区别。
首先需要介绍一些开漏输出和开集输出。这两种输出的原理和特性基本是类似的，区别在于一个是使用MOS管，其中的"漏"指的就是MOS管的漏极；另一个使用三极管，其中的"集"指的就是MOS三极管的集电极。这两者其实都是和推挽输出相对应的输出模式，由于使用MOS管的情况较多，很多时候就用"开漏输出"这个词代替了开漏输出和开集输出。
介绍就先从开集输出开始，其原理电路结如图 12所示。
图 12
图 12左边的电路是开集（OC）输出最基本的电路，当输入为高电平时，NPN三极管导通，Output被拉到GND，输出为低电平；当输入为低电平时，NPN三极管闭合，Output相当于开路（输出高阻）。高电平时输出高阻（高阻、三态以及floating说的都是一个意思），此时对外没有任何的驱动能力。这就是开漏和开集输出最大的特点，如何利用该特点完成各种功能稍后介绍。这个电路虽然完成了开集输出的功能，但是会出现input为高，输出为低；input为低，输出为高的情况。
图 12右边的电路中多使用了一个三极管完成了"反相"。当输入为高电平时，第一个三极管导通，此时第二个三极管的输入端会被拉到GND，于是第二个三极管闭合，输出高阻；当输入为低电平时，第一个三极管闭合，此时第二个三极管的输入端会被上拉电阻拉到高电平，于是第二个三极管导通，输出被拉到GND。这样，这个电路的输入与输出是同相的了。
接下来介绍开漏输出的电路，如图 13所示。原理与开集输出基本相同，只是将三极管换成了MOS而已。
图 13
接着说说开漏、开集输出的特点以及应用，由于两者相似，后文中若无特殊说明，则用开漏表示开漏和开集输出电路。
开漏输出最主要的特性就是高电平没有驱动能力，需要借助外部上拉电阻才能真正输出高电平，其电路如图 14所示。
图 14
当MOS管断开时，开漏输出电路输出高电平，且连接着负载时，电流流向是从外部电源，流经上来电阻RPU，流进负载，最后进入GND。
开漏输出的这一特性一个明显的优势就是可以很方便的调节输出的电平，因为输出电平完全由上拉电阻连接的电源电平决定。所以在需要进行电平转换的地方，非常适合使用开漏输出。
开漏输出的这一特性另一个好处在于可以实现"线与"功能，所谓的"线与"指的是多个信号线直接连接在一起，只有当所有信号全部为高电平时，合在一起的总线为高电平；只要有任意一个或者多个信号为低电平，则总线为低电平。而推挽输出就不行，如果高电平和低电平连在一起，会出现电流倒灌，损坏器件。
推挽与开漏输出的区别
图 15
