單片機(jī)IO口結(jié)構(gòu)與工作原理

1、、P0端口的構(gòu)造及工作原理P0端口 8位中的一位構(gòu)造圖見下列圖:內(nèi)部總線讀引腳-控制信號（0、VI地址/數(shù)據(jù)+ VCCL<3http/WWW zsP0 口工作無理B3由上圖可見，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開關(guān)、一個與非門、一個與 門及場效應(yīng)管驅(qū)動電路構(gòu)成 下面，先分析組成P0 口的各個局部：先看輸入緩沖器：在P0 口中，有兩個三態(tài)的緩沖器，在其的輸出端可以是高電 平、低電平，同時還有一種就是高阻狀態(tài)或稱為制止?fàn)顟B(tài)，上面一個是讀鎖 存器的緩沖器，下面一個是讀引腳的緩沖器，讀取PO.X引腳上的數(shù)據(jù)，要使這個三態(tài)緩沖器有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會傳輸?shù)讲繑?shù)據(jù)總線上。D鎖存器：在51單片機(jī)的3

2、2根I/O 口線中都是用一個D觸發(fā)器來構(gòu)成鎖存器的。D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端也就是時序控制信號輸入端，Q是輸出端,Q非是反向輸出端。多路開關(guān)：在51單片機(jī)中，不需要外擴(kuò)展存儲器時，P0 口可以作為通用的輸入 輸出端口即I/O使用，對于8031部沒有ROM的單片機(jī)或者編寫的程序 超過了單片機(jī)部的存儲器容量，需要外擴(kuò)存儲器時，P0 口就作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。這個多路選擇開關(guān)就是用于選擇是做為普通I/O 口使用還是作為數(shù)據(jù)/地址總線使用的選擇開關(guān)了。當(dāng)多路開關(guān)與下面接通時，P0 口是作為普通的I/O 口使用的，當(dāng)多路開關(guān)是與上面接通時，P0 口是作為 地址/數(shù)據(jù)總線使用的。輸出驅(qū)動部份：P0

3、 口的輸出是由兩個MOS管組成的推拉式構(gòu)造，也就是說，這 兩個MOS管一次只能導(dǎo)通一個，當(dāng) V1導(dǎo)通時，V2就截止，當(dāng)V2導(dǎo)通時，V1 截止。P0 口作為I/O端口使用時，多路開關(guān)的控制信號為 0低電平，V1管截止, 多路開關(guān)是與鎖存器的Q非端相接的即P0 口作為I/O 口線使用。作為地址/ 數(shù)據(jù)線使用時，多路開關(guān)的控制信號為 1，V1管由地址/數(shù)據(jù)線決定，多路開關(guān) 與地址/數(shù)據(jù)線連接。輸出過程：1、I/O輸出工作過程：當(dāng)寫鎖存器信號 CP有效，數(shù)據(jù)總線的信號一鎖存器的輸 入端D-鎖存器的反向輸出Q非端一多路開關(guān)-V2管的柵極-V2的漏極到輸出 端P0.X這時多路開關(guān)的控制信號為低電平 0，

4、V1管是截止的，所以作為輸出 口時，P0是漏極開路輸出，類似于OC門，當(dāng)驅(qū)動上接電流負(fù)載時，需要外接上 拉電阻。下列圖就是由部數(shù)據(jù)總線向P0 口輸出數(shù)據(jù)的流程圖紅色箭頭。*VCCPO”腳預(yù)存器 內(nèi)沽息線二m 片犠仃器_t p ：/WWW控！W信弓（0*VI莖誹丿關(guān)Rcom逢引腳2、地址輸出過程控制信號為1,地址信號為“時，與門輸出低電平，V1管截止；反相器輸出高 電平，V2管導(dǎo)通，輸出引腳的地址信號為低電平。http;/www zsMCU comPO口作為壇址銭.址制tfr號博1.內(nèi)制總線Vl«±輸出為低電半0耳饋禰5»地址信號為0時的工作訛eu反之，控制信號為“

5、、地址信號為1，與門輸出為高電平，V1管導(dǎo)通； 反相器輸出低電平，V2管截止，輸出引腳的地址信號為高電平。請看下列圖蘭 色字體為電平：P0 口作為it址罐地址tfr號為1時的工作3MM0B可見，在輸出 地址/數(shù)據(jù)信息時，VI、V2管是交替導(dǎo)通的，負(fù)載能力很強(qiáng), 可以直接與外設(shè)存儲器相連，無須增加總線驅(qū)動器。3、作為數(shù)據(jù)總線的輸出過程如果該指令是輸出數(shù)據(jù)，如 MOVX DPTR A將累加器的容通過 P0 口數(shù)據(jù)總 線傳送到外部RAM中，那么多路開關(guān) 控制信號為'與門解鎖，與輸出 地址信號的工作流程類似，數(shù)據(jù)據(jù)由 地址/數(shù)據(jù)'線反相器V2場效應(yīng)管柵極 -V2漏極輸出。輸入過程：1、

6、I/O讀引腳工作過程：讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)時，讀引腳緩沖器翻開，通過部數(shù)據(jù)總線輸入，請看下列圖紅色簡頭。P0口讀引種時的沫根禺2、I/O讀鎖存器工作過程:通過翻開讀鎖存器三態(tài)緩沖器讀取鎖存器輸出端 Q的狀態(tài)，請看下列圖紅色 箭頭：內(nèi)部總錢幵fit存!BP0 口慎領(lǐng)存黯吋的派程地址/數(shù)摞+VCC旳制信號（隊1）3、地址/數(shù)據(jù)時讀指令碼和數(shù)據(jù)過程作為數(shù)據(jù)總線使用。在訪問外部程序存儲器時，P0 口輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線，以便讀指令碼輸入。在取指令期間， 控制信號為“， V1管截止，多路開關(guān)也跟著轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端Q非；CPU自動將OFFH11111111，即向D鎖存器寫入一個高電平&#

7、39;寫入P0 口鎖存器，使V2管截 止，在讀引腳信號控制下，通過讀引腳三態(tài)門電路將指令碼讀到部總線， 這個過 程和I/O讀引腳過程是一樣的。在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從部總線輸出低電平后，鎖存器 Q= 0, Q非=1,場效應(yīng)管T2開通，端 口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電乎還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如， 當(dāng)從部總線輸出高電平后，鎖存器 Q= 1, Q非=0,場效應(yīng)管T2截止。如外接 引腳信號為低電平，從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。為此， 8031單片機(jī)

8、在對端口 P0 一 P3的輸入操作上，有如下約定：為此，8051單片機(jī) 在對端口 P0一 P3的輸入操作上，有如下約定：凡屬于讀-修改-寫方式的指令， 從鎖存器讀入信號，其它指令那么從端口引腳線上讀入信號。讀-修改-寫指令的特點(diǎn)是，從端口輸入（讀）信號，在單片機(jī)加以運(yùn)算（修改）后，再輸出（寫）到該端口 上。這樣安排的原因在于讀-修改-寫指令需要得到端口原輸出的狀態(tài)，修改后再 輸出，讀鎖存器而不是讀引腳，可以防止因外部電路的原因而使原端口的狀態(tài)被 讀錯。當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時，在讀指令碼或輸入數(shù)據(jù)前，CPU自動向 P0 口鎖存器寫入0FFH,破壞了 P0 口原來的狀態(tài)。因此，不能再作為通

9、用的 I/O 端口。在系統(tǒng)設(shè)計時務(wù)必注意，即程序中不能再含有以P0 口作為操作數(shù)包含源操作數(shù)和目的操作數(shù)的指令。、P1端口的構(gòu)造及工作原理jxbR評細(xì)內(nèi)部總統(tǒng)讀引腳Pl 口工作原理圖http:/www smcucom由圖可見，P1端口與P0端口的主要差異在于，P1端口用部上拉電阻R代替了 P0端口的場效應(yīng)管T1,并且輸出的信息僅來自部總線。由部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng) 鎖存器反相和場效應(yīng)管反相后，鎖存在端口線上，所以，P1端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口。要正確地從引腳上讀入外部信息， 必須先使場效應(yīng)管關(guān)斷，以便由 外部輸入的信息確定引腳的狀態(tài)。 為此，在作引腳讀入前，必須先對該端口寫入l。具有這種操作特點(diǎn)

10、的輸入/輸出端口，稱為準(zhǔn)雙向I/O 口。8051單片機(jī)的P1、 P2、P3都是準(zhǔn)雙向口。P0端口由于輸出有三態(tài)功能，輸入前，端口線已處于高 阻態(tài)，無需先寫入I后再作讀操作。單片機(jī)復(fù)位后，各個端口已自動地被寫入了 1,此時，可直接作輸入操作。如果在應(yīng)用端口的過程中，已向P1 一 P3端口線輸出過0,那么再要輸入時，必須先寫1后再讀引腳，才能得到正確的信息。此 外，隨輸入指令的不同，P1端口也有讀鎖存器與讀引腳之分。三、P2端口的構(gòu)造及工作原理P2內(nèi)部總線名蹄幵黃地址/數(shù)1KP2 口工作原理罔上拉電科由圖可見，P2端口在片既有上拉電阻，又有切換開關(guān)MUX,所以P2端口在功能 上兼有P0端口和P1端

11、口的特點(diǎn)。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當(dāng)切換開關(guān)向下接 通時，從部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經(jīng)反相器和場效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上；當(dāng)多路開關(guān)向上時，輸出的一位地址信號也經(jīng)反相器和場效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上。對于8031單片機(jī)必須外接程序存儲器才能構(gòu)成應(yīng)用電路或者我們的應(yīng)用電路 擴(kuò)展了外部存儲器，而P2端口就是用來周期性地輸出從外存中取指令的地址 （高 8位地址），因此，P2端口的多路開關(guān)總是在進(jìn)展切換，分時地輸出從部總線來 的數(shù)據(jù)和從地址信號線上來的地址。因此 P2端口是動態(tài)的I/O端口。輸出數(shù)據(jù) 雖被鎖存，但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。 其實(shí)，這里輸出的數(shù)據(jù)往往也是一種 地址，只不過是外部

12、RAM的高8位地址。在輸入功能方面，P2端口與P0和H端口 一樣，有讀引腳和讀鎖存器之分， 并且P2端口也是準(zhǔn)雙向口?？梢姡琍2端口的主要特點(diǎn)包括： 不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù)； 自身輸出外部程序存儲器的高8位地址；執(zhí)行MOVX指令時，還輸出外部 RAM的高位地址，故稱P2端口為動態(tài)地址 端口。即然P2 口可以作為I/O 口使用，也可以作為地址總線使用，下面我們就分析下 它的兩種工作狀態(tài)。1、作為I/O端口使用時的工作過程沒有外部程序存儲器或雖然有外部數(shù)據(jù)存儲器，但容易不大于256B,即不需要高8位地址時在這種情況下，不能通 過數(shù)據(jù)地址存放器DPTR讀寫外部數(shù)據(jù)存儲器，P2 口可以I/O 口使用。這時

13、， 控制信號為“，多路開關(guān)轉(zhuǎn)向鎖存器同相輸出端 Q，輸出信號經(jīng)部總線一鎖 存器同相輸出端Qf反相器f V2管柵極f V2管9漏極輸出。由于V2漏極帶有上拉電阻，可以提供一定的上拉電流，負(fù)載能力約為8個TTL與非門；作為輸出口前，同樣需要向鎖存器寫入“，使反相器輸出低電平，V2管截止，即引腳懸空時為高電平，防止引腳被鉗位在低電平。讀引腳有效后, 輸入信息經(jīng)讀引腳三態(tài)門電路到部數(shù)據(jù)總線。2、作為地址總線使用時的工作過程 P2 口作為地址總線時，控制信號為1' 多路開關(guān)車向地址線即向上接通，地址信息經(jīng)反相器 -V2管柵極-漏極輸 出。由于P2 口輸出高8位地址，與P0 口不同，無須分時使用，

14、因此 P2 口上的 地址信息程序存儲器上的A15A8功數(shù)據(jù)地址存放器高8位DPH保存時間長， 無須鎖存。四、P3端口的構(gòu)造及工作原理P3 口是一個多功能口，它除了可以作為I/O 口外，還具有第二功能，P3端口的 一位構(gòu)造見下列圖P3J腳鎖存器內(nèi) M 4 j 丫£ ”上拉電阻1弟二功能輸入P3 口工作冰理園 ht tp'/www 上上圖可見，P3端口和P1端口的構(gòu)造相似，區(qū)別僅在于 P3端口的各端口線有兩種功能選擇。當(dāng)處于第一功能時，第二輸出功能線為1,此時，部總線信號經(jīng)鎖存器和場效應(yīng)管輸入/輸出，其作用與P1端口作用一樣，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向I/O端 口。當(dāng)處于第二功能時，鎖存器輸

15、出1,通過第二輸出功能線輸出特定的含信號， 在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號，還可以通過替代輸入功能讀入片 的特定第二功能信號。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故P3端口為靜態(tài)雙功能端口。使P3端品各線處于第二功能的條件是1、串行I/O處于運(yùn)行狀態(tài)(RXD,TXD);2、翻開了處部中斷(INT0,INT1);3、定時器/計數(shù)器處于外部計數(shù)狀態(tài)（T0,T1）4、執(zhí)行讀寫外部RAM的指令（RD,WR）在應(yīng)用中，如不設(shè)定P3端口各位的第二功能（WR,RD信號的產(chǎn)生不用設(shè)置），那 么P3端口線自動處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài)1/O端口的工作狀態(tài)。在更多 的場合是根據(jù)應(yīng)用的需要，把幾條端口線設(shè)置

16、為第二功能，而另外幾條端口線處 于第一功能運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，不宜對P3端口作字節(jié)操作，需采用位操作的形式。四、驅(qū)動能力P0端口能驅(qū)動8個LSTT負(fù)載。如需增加負(fù)載能力，可在 P0總線上增加總線驅(qū) 動器。P1, P2, P3端口各能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。由于P0-P3端口已映射成特殊 功能存放器中的P0一 P3端口存放器，所以對這些端口存放器的讀/寫就實(shí)現(xiàn)了 信息從相應(yīng)端口的輸入/輸出。例如：MOV A， P1 ;把Pl端口線上的信息輸入到 AMoV P1， A ;把A的容由P1端口輸出MOV P3, #0FFH ;使P3端口線各位置II/O口線的低電平的驅(qū)動能力明顯高于高電平的驅(qū)動能力

17、；關(guān)于51單片機(jī)P0 口的構(gòu)造及上拉問題1 .P0作為地址數(shù)據(jù)總線時，T1和T2是一起工作的，構(gòu)成推挽構(gòu)造。高電平時， T1翻開，T2截止；低電平時，T1截止，T2翻開。這種情況下不用外接上 拉電阻.而且,當(dāng)T1翻開,T2截止輸出高電平的時候，因?yàn)椴侩娫粗苯油ㄟ^T1輸出 到P0口線上，因此驅(qū)動能力（電流河以很大,這就是為什么教科書上說可以"驅(qū)動8 個TTL負(fù)載"的原因.2 .P0作為一般端口時，T1就永遠(yuǎn)的截止，T2根據(jù)輸出數(shù)據(jù)0導(dǎo)通和1截止， 導(dǎo)通時拉地，當(dāng)然是輸出低電平；截止時，PO 口就沒有輸出了， （注意,這種情 況就是所謂的高阻浮空狀態(tài)），如果加上外部上拉電阻，輸

18、出就變成了高電平 1.3 .其他端口 P1、P2、P3，在部直接將P1 口中的T1換成了上拉電阻，所以不 用外接，但部上拉電阻太大，電流太小，有時因?yàn)殡娏鞑粔?，也會再并一個上拉 電阻。4. 在某個時刻,P0 口上輸出的是作為總線的地址數(shù)據(jù)信號還是作為普通I/O 口的電平信號，是依靠多路開關(guān)MUX來切換的.而MUX的切換,又是根據(jù)單片機(jī)指令來 區(qū)分的當(dāng)指令為外部存儲器/IO 口讀/寫時，比方MOVX A,DPTR ,MUX!切換到地 址/數(shù)據(jù)總線上 而當(dāng)普通MOV傳送指令操作P0 口時,MUX是切換到部總線上的.PS:Because Ports 1, 2, and 3 have fixed in

19、ternal pullups, they are sometimes called quasi- bidirecti on al" ports.因?yàn)槎丝?1、2、3有固定的部上拉，所以有時候他們被稱為"準(zhǔn)雙向"口 .Port 0, on the other hand, is con sidered true" bidirecti on al, because whe n con figured as an in put it floats.端口 0,從另外一方面來說，就被認(rèn)為是"真正的"雙向,因?yàn)楫?dāng)它被設(shè)置為輸入的時 候是浮空（高阻態(tài)

20、）的51單片機(jī)P0 口的作為I/O的問題，其實(shí)看了 51的P1 口的電路就很容易理 解了，主要是一個鎖存器和推拉構(gòu)造，在此作些說明。當(dāng)用作輸出，所有口線的狀態(tài)都與 SFR鎖存位的設(shè)置有密切的聯(lián)系。P0 口為低除外。當(dāng)P0 口的一個位寫入0時，這個位被拉低。但是對 P0 口 的其中一個位寫入1時，這個位呈現(xiàn)高阻，也就是未能連機(jī)，不能使用。要想獲 得1輸出，你必須在P0 口外加上拉電阻。一般驅(qū)動LED的上拉電阻為470Q,外 接邏輯電路的上拉電阻為 4.7K。補(bǔ)充：一些口線被作為簡單的高電平輸入也與SFR鎖存位有關(guān)。因?yàn)镻1、P2、P3有部上拉電阻，可以隨意被拉高，拉低。 而P0 口作為高電平輸入

21、時，也會呈現(xiàn)高阻態(tài)。P0 口和P2 口的輸入緩沖被用來作存取外部存貯用， P0 口用作外部存貯器 的低位字節(jié)的位址，并與數(shù)據(jù)讀寫多工。輸出第一位元址，當(dāng)位置線是16位時， P2 口用作高8位的位址線，因此當(dāng)對外面存貯時，P0 口、P2 口沒法當(dāng)作I/O 口 線。P1 口具有部上拉電阻，當(dāng)端口用作輸入時，必須通過指令將端口的位鎖存 器置1,以關(guān)閉輸出驅(qū)動場效應(yīng)管，這時 P1 口的引腳由部上拉電阻拉為高電平， 所以向P1寫入1, 工作正常。P0那么不同，它沒有部上拉電阻，在驅(qū)動場效應(yīng)管的上方有一個提升場效 應(yīng)管，它只是在對外存儲器進(jìn)展讀寫操作，用作地址/數(shù)據(jù)時才起作用，當(dāng)向位鎖存器寫入1,使驅(qū)動場效應(yīng)管截止，那么引腳浮空，所以寫入1而未獲得。P0 口上拉電阻的阻值：1、如果是驅(qū)動led，那么用1K左右的就行了。如果希望亮度大一些，電阻可減小，最小不要小于200歐姆，否那么電流太大；如果希望亮度小一些，電阻可增 大，增加到多少呢，主要看亮度情況，以亮度適宜為準(zhǔn)，一般來說超過3K以上時，亮度就很弱了，但是對于超高亮度的LED有時候電阻為10K時覺得亮度還能夠用。我通常就用1k的。2、對于驅(qū)動光耦合器，如果是高電位有效，即耦合器輸入端接端口和地之間， 那么和LED的情況是一樣的；如果是低電位有效，即耦合器輸入端接端口和 VCC 之間，那么除了要串接一個1 4.7k之間的電阻以外，同時上