8051單片機I/O口的工作原理

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)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)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，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→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，通過內(nèi)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＝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。

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)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。
可見，P2端口的主要特點包括：
①不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù)；
②自身輸出外部程序存儲器的高8位地址；
②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)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)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（程序存儲器上的A15~A8）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Pl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，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)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A
MoV 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l