單片機IO口結(jié)構(gòu)及工作原理

1、、P0端口的結(jié)構(gòu)及工作原理P0端口 8位中的一位結(jié)構(gòu)圖見下圖:地址/數(shù)據(jù)內(nèi)部總線讀引腳P0 口工作康理圖由上圖可見，po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 口的各個部分：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)（或稱為禁止?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)絻?nèi)部數(shù)據(jù)總線上。D鎖存器：在51單片機的32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)

2、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單片機中，不需要外擴展存儲器時，P0 口可以作為通用的輸入 輸出端口（即I/O）使用，對于8031 （內(nèi)部沒有ROM ）的單片機或者編寫的程 序超過了單片機內(nèi)部的存儲器容量，需要外擴存儲器時，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 口的輸出是由兩個 MO

3、S管組成的推拉式結(jié)構(gòu)，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、1/0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 X 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, V1管是截止的

4、，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。下圖就是由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線向P0 口輸出數(shù)據(jù)的流程圖（紅色箭頭）。po. XWftKra內(nèi)部總線ht t p:/www z地址/數(shù)抵控制信號（0. 1）P0口由內(nèi)部致?lián)芍废虺鰰r的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。地址/數(shù)IK+VCC控JM侑號0 I）1內(nèi)部總線輸出為低電半 0POD作為地址拔.121*11*號為1.純址估號為0時的工作StfiLSB地址/數(shù)據(jù)IP0口作為地址理. 控制信號為匚co

5、m地址信號為1時的工作滾租¥1導(dǎo)通輸出為福電半反之，控制信號為“T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。請看下圖（蘭色字 體為電平）：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，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 （將累加器的內(nèi)容通過 P0 口 數(shù)據(jù)總線傳送到外部RAM中），則多路開關(guān) 控制”信號為,1?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)”線一反相器一V2場效應(yīng)

6、管柵 極一 V2漏極輸出。輸入過程: 1、I/O讀引腳工作過程：讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)時，讀引腳緩沖器打開，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入，請看 下圖（紅色簡頭）。P0di*3IW 時的 Stfil 圖2、I/O讀鎖存器工作過程：通過打開讀鎖存器三態(tài)緩沖器讀取鎖存器輸出端Q的狀態(tài)，請看下圖（紅色箭頭）：rL,rlVIpo. x««ifra寫憧存器讀引腳COmP0 口詼鎖殍器時的 * 復(fù)0BWWW勺酈總線地址/數(shù)據(jù)I控制信勺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

7、為“Q”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OFFH（11111111，即向D鎖存器寫入一個高電平,1?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內(nèi)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)從內(nèi)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)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器 Q

8、 = 1，Q非二0，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單片機在對端口 P0 一 P3的輸入操作上，有如下約定：為此，8051單片 機在對端口 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，其它指令則從端口引腳線上讀入信號。讀-修改-寫指令的特點是，從端口輸入（讀）信號，在單片機內(nèi)加以運算（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，可以避免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

9、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端口的結(jié)構(gòu)及工作原理內(nèi)部總線汝引腳PL)(腳義存器Ofnhttp /www.zsmcuPl 口工作原理HB由圖可見，P1端口與P0端口的主要差別在于，P1端口用內(nèi)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內(nèi)部總線。由內(nèi)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

10、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I。具有這種操作特點的輸入/輸出端口，稱為準(zhǔn)雙向I/O 口。8051單片機 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,則再要輸入時，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。、P2端口的結(jié)構(gòu)及工作原理! 地h”數(shù)據(jù)

11、+VCC址引腳幣制信號（0. 1匕拉電陰內(nèi)部總線門&! http :/P2 口工作原理80由圖可見，P2端口在片內(nèi)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端口的特點。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當(dāng)切換開關(guān) 向下接通時，從內(nèi)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)

12、總是在進(jìn)行切換，分時地輸出從內(nèi)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，這里輸出的數(shù)據(jù)往往也 是一種地址，只不過是外部 RAM的高8位地址。在輸入功能方面，P2端口與P0和H端口相同，有讀引腳和讀鎖存器之分， 并且P2端口也是準(zhǔn)雙向口?？梢?，P2端口的主要特點包括： 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

13、端口使用時的工作過程當(dāng)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)地址寄存器 DPTR讀寫外部 數(shù)據(jù)存儲器），P2 口可以I/O 口使用。這時，控制”信號為“0”多路開關(guān)轉(zhuǎn)向 鎖存器同相輸出端Q，輸出信號經(jīng)內(nèi)部總線一鎖存器同相輸出端CH反相器-V2 管柵極-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 “ 1,”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)門電路到內(nèi)

14、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管柵極一漏極輸出。由于P2 口輸出高8位地址，與P0 口不同，無須分時使用，因此 P2 口上的地址信息（程序存儲器上的 A15A8 ） 功數(shù)據(jù)地址寄存器高8位DPH保存時間長，無須鎖存。四、P3端口的結(jié)構(gòu)及工作原理P3 口是一個多功能口，它除了可以作為 一位結(jié)構(gòu)見下圖I/O 口外，還具有第二功能，P3端口的內(nèi)部總線可鑲療器讀引腳P3X腳鍛仃器P3 口工作原理00 htl 上圖可見，P3端口和P1端口的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅在于P3端口的各端口線有兩 種功能選

15、擇。當(dāng)處于第一功能時，第二輸出功能線為1,此時，內(nèi)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端口作用相同，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向I/O 端口。當(dāng)處于第二功能時，鎖存器輸出1，通過第二輸出功能線輸出特定的內(nèi)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 讀入片內(nèi)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處于運行狀態(tài)（RXD,TXD）;2、打開了處部中斷（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

16、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 ）, 則 P3 端口線自動處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài) I 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)置為第二功能， 而另外幾條端口線 處于第一功能運行狀態(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 LSTTL 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 成特殊功能寄存器中的P0 一 P3端口寄存器，所以對這些端口寄存器的讀/寫 就實現(xiàn)

17、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 的內(nèi)容由 P1 端口輸出MOV P3 ， #0FFH ；使 P3 端口線各位置 lI/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；關(guān)于 51 單片機 P0 口的結(jié)構(gòu)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)成推挽結(jié)構(gòu)。高電平時， T1打開，T2截止；低電平時，T1截止，T2打開。這種情況下不用外接上 拉電阻.而且,當(dāng)T1打開,T2截止,輸出高電平的時候，因為內(nèi)部電源直接通過 T1 輸出到 P0 口線上,因此驅(qū)動能力 （電流）可以很大,這就是為

18、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，輸出就變成了高電平 1.3 其他端口 P1、P2、P3 ，在內(nèi)部直接將P1 口中的T1換成了上拉電阻，所 以不用外接，但內(nèi)部上拉電阻太大，電流太小，有時因為電流不夠，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

19、的 .而 MUX 的切換,又是根據(jù)單片機指令 來區(qū)分的當(dāng)指令為外部存儲器/IO 口讀/寫時，比如MOVX A,DPTR ,MUX是切 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是切換到內(nèi)部 總線上的 .PS:Because Ports 1, 2, and 3 have fixed internal pullups, they are sometimes called “ qu-absidirectional” ports.因為端口 1、2、3 有固定的內(nèi)部上拉 ,所以有時候他們被稱為 "準(zhǔn)雙向"口.Port 0, on the other hand,

20、 is considered “ true b”idirectional, because when configured as an input it floats.端口 0,從另外一方面來說 ,就被認(rèn)為是 "真正的"雙向,因為當(dāng)它被設(shè)置為輸入的時 候是浮空 （高阻態(tài) ）的.51 單片機 P0 口的作為 I/O 的問題，其實看了 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結(jié)構(gòu)，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

21、入 1 時，這個位呈現(xiàn)高阻，也就是未能連機，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)。因為 P1 、P2、P3 有內(nèi)部上拉電阻，可以隨意被拉高， 拉低。而 P0 口作為高電平輸入時，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。

22、P1 口具有內(nèi)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 口的引腳由內(nèi)部上拉電阻拉為高 電平，所以向 P1 寫入 1，工作正常。P0 則不同，它沒有內(nèi)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)行讀寫操作，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，則引腳浮空，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，否則電流太大；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，以亮度合適為準(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 14.7k 之間的電阻以外，同時上拉電阻的阻值就 可以用的特別大，用 100k500K 之間