8051單片機I/O引腳工作原理

在取指令期間，“控制”信號為“0”，V1管截止，多路開關也跟著轉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部總線。請看下圖

如果該指令是輸出數(shù)據(jù)，如MOVX@DPTR，A（將累加器的內容通過P0口數(shù)據(jù)總線傳送到外部RAM中），則多路開關“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場效應管柵極→V2漏極輸出。

如果該指令是輸入數(shù)據(jù)（讀外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器），如MOVXA，@DPTR（將外部RAM某一存儲單元內容通過P0口數(shù)據(jù)總線輸入到累加器A中），則輸入的數(shù)據(jù)仍通過讀引腳三態(tài)緩沖器到內部總線，其過程類似于上圖中的讀取指令碼流程圖。

通過以上的分析可以看出，當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。大家以后在系統(tǒng)設計時務必注意，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端口的結構及工作原理

P1口的結構最簡單，用途也單一，僅作為數(shù)據(jù)輸入/輸出端口使用。輸出的信息有鎖存，輸入有讀引腳和讀鎖存器之分。P1端口的一位結構見下圖.

由圖可見，P1端口與P0端口的主要差別在于，P1端口用內部上拉電阻R代替了P0端口的場效應管T1，并且輸出的信息僅來自內部總線。由內部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器反相和場效應管反相后，鎖存在端口線上，所以，P1端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口。

由上圖可見，要正確地從引腳上讀入外部信息，必須先使場效應管關斷，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1。具有這種操作特點的輸入/輸出端口，稱為準雙向I/O口。8051單片機的P1、P2、P3都是準雙向口。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1后再作讀操作。

P1口的結構相對簡單，前面我們已詳細的分析了P0口，只要大家認真的分析了P0口的工作原理，P1口我想大家都有能力去分析，這里我就不多論述了。

單片機復位后，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，H端口也有讀鎖存器與讀引腳之分。

三、P2端口的結構及工作原理:

P2端口的一位結構見下圖：

由圖可見，P2端口在片內既有上拉電阻，又有切換開關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，當切換開關向下接通時，從內部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經(jīng)反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上；當多路開關向上時，輸出的一位地址信號也經(jīng)反相器和場效應管反相后，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成應用電路（或者我們的應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端口的多路開關總是在進行切換，分時地輸出從內部總線來的數(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，下面我們就不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”，多路開關轉向鎖存器同相輸出端Q，輸出信號經(jīng)內部總線→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端口的結構及工作原理

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端口的一位結構見下圖。

由上圖可見，P3端口和P1端口的結構相似，區(qū)別僅在于P3端口的各端口線有兩種功能選擇。當處于第一功能時，第二輸出功能線為1，此時，內部總線信號經(jīng)鎖存器和場效應管輸入/輸出，其作用與P1端口作用相同，也是靜態(tài)準雙向I/O端口。當處于第二功能時，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。

P3口的特殊功能（即第二功能）：

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)

在應用中,如不設定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的產生不用設置),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)應用的需要，把幾條端口線設置為第二功能，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。

端口的負載能力和輸入／輸出操作:

P0端口能驅動8個LSTTL負載。如需增加負載能力，可在P0總線上增加總線驅動器。P1，P2，P3端口各能驅動4個LSTTL負載。

前已述及，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的內容由P1端口輸出

MOVP3，#0FFH；使P3