單片機IO口結(jié)構(gòu)與工作原理

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P0.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)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

2、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（部沒有ROM）的單片機或者編寫的程序超過了單片機部的存儲器容量，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MOS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，

3、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。這時多路開關(guān)的控制信號為低電平0，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。下圖就是由部數(shù)據(jù)總線向P

4、0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為1，地址信號為“0”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。反之，控制信號為“1”、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，V1、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（將累加器的容通過P0口數(shù)據(jù)總線傳送到外部RAM中）

5、，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)”線反相器V2場效應(yīng)管柵極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，通過部數(shù)據(jù)總線輸入，請看下圖（紅色簡頭）。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）：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“0”，V1管截止，多路開

6、關(guān)也跟著轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端Q非；CPU自動將0FFH（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Q0，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)從部總線輸出高電平后，鎖存器Q1，Q非0，場效應(yīng)管T2截止。如外接引腳信號為低電平，從引

7、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

8、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。二、P1端口的結(jié)構(gòu)及工作原理由圖可見，P1端口與P0端口的主要差別在于，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。具有這種操作特點的輸入/輸出端口，稱為準(zhǔn)雙向I/O口。8051單片機的P

9、1、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。三、P2端口的結(jié)構(gòu)及工作原理: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

10、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)總是在進(jìn)行切換，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，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

11、2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)部總線鎖

12、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，因此P2口上的地址信息（

13、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，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

14、，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)IO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

15、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)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l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 .P0作為地址數(shù)據(jù)總線時，和是一起工作的,構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)。高電平時，打開，截止；低電平時，截止，打開。這種情況

16、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,這就是為什么教科書上說可以"驅(qū)動8個TTL負(fù)載"的原因.P0作為一般端口時，就永遠(yuǎn)的截止，根據(jù)輸出數(shù)據(jù)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，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.其他端口、,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

17、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是切換到部總線上的.PS:Because Ports 1, 2, and 3 have fixed internal pullups, they are sometimes called “quasi- bidirectional” ports.因為端口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, o

18、n 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，

19、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，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470，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)。

20、        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。      

21、  P0則不同，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)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