單片機(jī)IO口結(jié)構(gòu)及工作原理

一、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：由上圖可見，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開關(guān)、一個(gè)與非門、一個(gè)與門及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。下面，先分析組成P0口的各個(gè)部分：

先看輸入緩沖器：在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，在其的輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種就是高阻狀態(tài)（或稱為禁止?fàn)顟B(tài)），上面一個(gè)是讀鎖存器的緩沖器，下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，讀取P0.X引腳上的數(shù)據(jù)，要使這個(gè)三態(tài)緩沖器有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)絻?nèi)部數(shù)據(jù)總線上。D鎖存器：在51單片機(jī)的32根I/O口線中都是用一個(gè)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(shí)序控制信號(hào)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(chǔ)器時(shí)，P0口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對(duì)于8031（內(nèi)部沒有ROM）的單片機(jī)或者編寫的程序超過了單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量，需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口就作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線使用。這個(gè)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‘?dāng)?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(shí)，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(shí)，P0口是作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線使用的。輸出驅(qū)動(dòng)部份：P0口的輸出是由兩個(gè)MOS管組成的推拉式結(jié)構(gòu)，也就是說，這兩個(gè)MOS管一次只能導(dǎo)通一個(gè)，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2就截止，當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，V1截止。

P0口作為I/O端口使用時(shí)，多路開關(guān)的控制信號(hào)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(shí)，多路開關(guān)的控制信號(hào)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(hào)CP有效，數(shù)據(jù)總線的信號(hào)→鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出Q非端→多路開關(guān)→V2管的柵極→V2的漏極到輸出端P0.X。這時(shí)多路開關(guān)的控制信號(hào)為低電平0，V1管是截止的，所以作為輸出口時(shí)，P0是漏極開路輸出，類似于OC門，當(dāng)驅(qū)動(dòng)上接電流負(fù)載時(shí)，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）。2、地址輸出過程控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為“0”時(shí)，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(hào)為低電平。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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)該端口寫入l。具有這種操作特點(diǎn)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l后再作讀操作。單片機(jī)復(fù)位后，各個(gè)端口已自動(dòng)地被寫入了1，此時(shí)，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(shí)，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端口的結(jié)構(gòu)及工作原理: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(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(shí)，從內(nèi)部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經(jīng)反相器和場(chǎng)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(shí)，輸出的一位地址信號(hào)也經(jīng)反相器和場(chǎng)效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上。

對(duì)于8031單片機(jī)必須外接程序存儲(chǔ)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(chǔ)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)行切換，分時(shí)地輸出從內(nèi)部總線來的數(shù)據(jù)和從地址信號(hào)線上來的地址。因此P2端口是動(dòng)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。

可見，P2端口的主要特點(diǎn)包括：

①不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù)；

②自身輸出外部程序存儲(chǔ)器的高8位地址；

②執(zhí)行MOVX指令時(shí)，還輸出外部RAM的高位地址，故稱P2端口為動(dòng)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(shí)的工作過程

當(dāng)沒有外部程序存儲(chǔ)器或雖然有外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但容易不大于256B，即不需要高8位地址時(shí)（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(chǔ)器），P2口可以I/O口使用。這時(shí)，“控制”信號(hào)為“0”，多路開關(guān)轉(zhuǎn)向鎖存器同相輸出端Q，輸出信號(hào)經(jīng)內(nèi)部總線→鎖存器同相輸出端Q→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(gè)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(shí)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)部數(shù)據(jù)總線。2、作為地址總線使用時(shí)的工作過程

P2口作為地址總線時(shí)，“控制”信號(hào)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(shí)使用，因此P2口上的地址信息（程序存儲(chǔ)器上的A15~A8）功數(shù)據(jù)地址寄存器高8位DPH保存時(shí)間長(zhǎng)，無須鎖存。四、P3端口的結(jié)構(gòu)及工作原理P3口是一個(gè)多功能口，它除了可以作為I/O口外，還具有第二功能，P3端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖上圖可見，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擇。當(dāng)處于第一功能時(shí)，第二輸出功能線為1，此時(shí)，內(nèi)部總線信號(hào)經(jīng)鎖存器和場(chǎng)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(shí)，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(hào)，在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號(hào)，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(hào)。由于輸出信號(hào)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、打開了處部中斷(INT0,INT1);3、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器處于外部計(jì)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(hào)的產(chǎn)生不用設(shè)置),則P3端口線自動(dòng)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(chǎng)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(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，不宜對(duì)P3端口作字節(jié)操作，需采用位操作的形式。四、驅(qū)動(dòng)能力P0端口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)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(dòng)器。P1，P2，P3端口各能驅(qū)動(dòng)4個(gè)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(duì)這些端口寄存器的讀／寫就實(shí)現(xiàn)了信息從相應(yīng)端口的輸入／輸出。例如：

MOVA，P1；把Pl端口線上的信息輸入到A

MoVP1，A；把A的內(nèi)容由P1端口輸出

MOVP3，#0FFH；使P3端口線各位置lＩ／Ｏ口線的低電平的驅(qū)動(dòng)能力明顯高于高電平的驅(qū)動(dòng)能力；關(guān)于51單片機(jī)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(shí)，Ｔ１和Ｔ２是一起工作的,構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)。高電平時(shí)，Ｔ１打開，Ｔ２截止；低電平時(shí)，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(shí)候,因?yàn)閮?nèi)部電源直接通過T1輸出到P0口線上,因此驅(qū)動(dòng)能力(電流)可以很大,這就是為什么教科書上說可以"驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載"的原因.２.P0作為一般端口時(shí)，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(shí)拉地，當(dāng)然是輸出低電平；截止時(shí)，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(shí)因?yàn)殡娏鞑粔?，也?huì)再并一個(gè)上拉電阻。4.在某個(gè)時(shí)刻,P0口上輸出的是作為總線的地址數(shù)據(jù)信號(hào)還是作為普通I/O口的電平信號(hào),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(chǔ)器/IO口讀/寫時(shí),比如MOVXA,@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(shí),MUX是切換到內(nèi)部總線上的.PS:BecausePorts1,2,and3havefixedinternalpullups,theyaresometimescalled“quasi-bidirectional”ports.

因?yàn)槎丝?、2、3有固定的內(nèi)部上拉,所以有時(shí)候他們被稱為"準(zhǔn)雙向"口.Port0,ontheotherhand,isconsidered“true”bidirectional,becausewhenconfiguredasaninputitfloats.

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(shí)候是浮空(高阻態(tài))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(gè)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(gè)位寫入0時(shí)，這個(gè)位被拉低。但是對(duì)P0口的其中一個(gè)位寫入1時(shí)，這個(gè)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(dòng)LED的上拉電阻為470Ω，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(jiǎn)單的高電平輸入也與SFR鎖存位有關(guān)。因?yàn)镻1、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(shí)，也會(huì)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(shí)，P2口用作高8位的位址線，因此當(dāng)對(duì)外面存貯時(shí)，P0口、P2口沒法當(dāng)作I/O口線。

P1口具有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)端口用作輸入時(shí)，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(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管，這時(shí)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(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的上方有一個(gè)提升場(chǎng)效應(yīng)管，它只是在對(duì)外存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作，用作地址/數(shù)據(jù)時(shí)才起作用，當(dāng)向位鎖存器寫入1，使驅(qū)動(dòng)場(chǎng)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(dòng)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(shí)，亮度就很弱了，但是對(duì)于超高亮度的LED，有時(shí)候電阻為10K時(shí)覺得亮度還能夠用。我通常就用1k的。2、對(duì)于驅(qū)動(dòng)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(gè)1——4.7k之間的電阻以外，同時(shí)上拉電阻的阻值就可以用的特別大，用100k——500K之間的都行，當(dāng)然用10K的也可以，但是考慮到省電問題，沒有必要用那么小的。3、對(duì)于驅(qū)動(dòng)晶體管，又分為PNP和NPN管兩種情況：對(duì)于NPN，毫無疑問NPN管是高電平有效的，因此上拉電阻的阻值用2K——20K之間的，具體的大小還要看晶體管的集電極接的是什么負(fù)載，對(duì)于LED類負(fù)載，由于發(fā)管電流很小，因此上拉電阻的阻值可以用20k的，但是對(duì)于管子的集電極為繼電器負(fù)載時(shí)，由于集電極電流大，因此上拉電阻的阻值最好不要大于4.7K，有時(shí)候甚至用2K的。對(duì)于PNP管，毫無疑問PNP管是低電平有效的，因此上拉電阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基極必須串接一個(gè)1——10K的電阻，阻值的大小要看管子集電極的負(fù)載是什么，對(duì)于LED類負(fù)載，由于發(fā)光電流很小，因此基極串接的電阻的阻值可以用20k的，但是對(duì)于管子的集電極為繼電器負(fù)載時(shí)，由于集電極電流大，因此基極電阻的阻值最好不要大于4.7K。3、對(duì)于驅(qū)動(dòng)TTL集成電路，上拉