單片機(jī)IO口結(jié)構(gòu)及工作原理

1、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)圖見以下圖:內(nèi)琳總線苓卅卄關(guān)hi tp /www zsUCU comP0 口工作丿戎理圖由上圖可見，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)局部：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)

2、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丨使用，對(duì)于8031內(nèi)部沒有ROM丨的單片機(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(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

3、用的。輸出驅(qū)動(dòng)部份：P0 口的輸出是由兩個(gè) 這兩個(gè)MOS管一次只能導(dǎo)通一個(gè)，當(dāng) V1截止。MOS管組成的推拉式結(jié)構(gòu)，也就是說， V1導(dǎo)通時(shí)，V2就截止，當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí),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、1/0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)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(shí)多路開關(guān)的控

4、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。以下圖就是由內(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“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。輸出為低電半內(nèi)閩總找XV|Vl«±地址/數(shù)««+VCCo控制帶號(hào)0. I)p:/www zeMUUPOa作為地址fit* SSJMflT號(hào)打匕 地址rt號(hào)為0時(shí)的工作ijtfitasP0 口作為地址姚,披制信號(hào)再1.地址佶號(hào)為1時(shí)

5、的工作Stfii反之，控制信號(hào)為“T地址信號(hào)為“,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(hào)為高電平。請(qǐng)看以下圖蘭色 字體為電平：可見，在輸出 地址/數(shù)據(jù)信息時(shí)，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(chǔ)器相連，無(wú)須增加總線驅(qū)動(dòng)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，那么多路開關(guān)控制信號(hào)為,與門解鎖，與輸 出地址信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)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

6、引腳上的數(shù)據(jù)時(shí)，讀引腳緩沖器翻開，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入，請(qǐng)看 以下圖紅色簡(jiǎn)頭。辻勺I腳 : / zsMCU. comPO 口讀引種時(shí)的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(qǐng)看以下圖紅色 箭頭：讀引腳(lKEviHrP0 口詼鎖存at時(shí)的波程圖3、地址/數(shù)據(jù)時(shí)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(chǔ)器時(shí)，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(hào)為“QV1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(dòng)將OFFH11111111，即向D鎖存器寫入一個(gè)高電平寫入P0 口鎖存器，使V2管

7、 截止，在讀引腳信號(hào)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(gè)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(hào)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(chǎng)效應(yīng)管T2開通， 端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)論端口線上外接的信號(hào)是低電乎還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如， 當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器 Q = 1，Q非二0，場(chǎng)效應(yīng)管T2截止。如外 接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。為此， 8031單片機(jī)在對(duì)端口 P0 一 P3的輸

8、入操作上，有如下約定：為此，8051單片 機(jī)在對(duì)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(hào)，其它指令那么從端口引腳線上讀入信號(hào)。讀-修改-寫指令的特點(diǎn)是，從端口輸入讀信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)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(cuò)。當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，在讀指令碼或輸入數(shù)據(jù)前，CPU自動(dòng)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(jì)時(shí)務(wù)必注意

9、，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)祁總線讀引腳/WWW ZSfflCUPl 口工作尿理HH由圖可見，P1端口與P0端口的主要差異在于，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I。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)

10、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(wú)需先寫入I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,那么再要輸入時(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。、P2端口的結(jié)構(gòu)及工作原理巴口工作原理00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

11、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P

12、2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(chǔ)器的高8位地址；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)地址存放器 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)部總線一鎖存器同相輸出端CH反相

13、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管柵極一漏極輸出。由于P2 口輸出高8位地址，與P0 口不同，無(wú)須分時(shí)使用，因此 P2 口上的地址信息程序存儲(chǔ)器上的 A15A8 功數(shù)據(jù)地址存放器高8位DPH保存時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)須鎖存

14、。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)見以下圖+VCC1P3 口工作凍J9LBB /www zsUCU. coni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)

15、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(shí)器 /計(jì)數(shù)器處于外部計(jì)數(shù)狀態(tài) T0,T14、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 , 那么 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)

16、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 成特殊功能存放器中的P0 一 P3端口存放器，所以對(duì)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(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)，

17、T1和T2是一起工作的，構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)。高電平時(shí)， T1翻開，T2截止；低電平時(shí)，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(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

18、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)殡娏鞑粔颍矔?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)，比方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(shí),MUX是切換到內(nèi)部 總線上的 .PS:Because Ports 1, 2, and 3 have fixed internal pullups,

19、 they are sometimes called “ qu-absidirectional ports.因?yàn)槎丝?1、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.Port 0, on the other hand, is considered “ true bidirectional, 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?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

20、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(jiǎn)單的高電平輸 入也與 SFR 鎖存位有關(guān)。因?yàn)?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(shí)，也會(huì)呈現(xiàn)高

21、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 那么不同，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

22、，使驅(qū)動(dòng)場(chǎng)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(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(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) 14.7k 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 100k500K 之間的都行，當(dāng)然用 10K 的也可以