單片機IO口結(jié)構及上拉電阻

MCS-51有4組8位I/O口：P0、P1、P2和P3口，P1、P2和P3為準雙向口，P0口則為雙向三態(tài)輸入輸出口，下面我們分別介紹這幾個口線。

一、P0口和P2口

圖1和圖2為P0口和P2口其中一位的電路圖。由圖可見，電路中包含一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器（D觸發(fā)器）和兩個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器，另外還有一個數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動（T1和T2）和控制電路。這兩組口線用來作為CPU與外部數(shù)據(jù)存儲器、外部程序存儲器和I/O擴展口，而不能象P1、P3直接用作輸出口。它們一起可以作為外部地址總線，P0口身兼兩職，既可作為地址總線，也可作為數(shù)據(jù)總線。

圖1 單片機P0口內(nèi)部一位結(jié)構圖

圖2 單片機P0口內(nèi)部一位結(jié)構圖

P2口作為外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器的地址總線的高8位輸出口AB8-AB15，P0口由ALE選通作為地址總線的低8位輸出口AB0-AB7。外部的程序存儲器由PSEN信號選通，數(shù)據(jù)存儲器則由WR和RD讀寫信號選通，因為2^16=64k，所以MCS-51最大可外接64kB的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。

二、P1口

圖3為P1口其中一位的電路圖，P1口為8位準雙向口，每一位均可單獨定義為輸入或輸出口，當作為輸入口時，1寫入鎖存器，Q(非)=0，T2截止，內(nèi)上拉電阻將電位拉至"1"，此時該口輸出為1，當0寫入鎖存器，Q(非)=1,T2導通，輸出則為0。

圖3 單片機P2口內(nèi)部一位結(jié)構圖

作為輸入口時，鎖存器置1，Q(非)=0，T2截止，此時該位既可以把外部電路拉成低電平，也可由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平，正因為這個原因，所以P1口常稱為準雙向口。

需要說明的是，作為輸入口使用時，有兩種情況:

1.首先是讀鎖存器的內(nèi)容，進行處理后再寫到鎖存器中，這種操作即讀—修改—寫操作，象JBC(邏輯判斷)、CPL(取反)、INC(遞增)、DEC(遞減)、ANL(與邏輯)和ORL(邏輯或)指令均屬于這類操作。

2.讀P1口線狀態(tài)時，打開三態(tài)門G2,將外部狀態(tài)讀入CPU。

三、P3口

P3口的電路如圖4所示，P3口為準雙向口，為適應引腳的第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯，在真正的應用電路中，第二功能顯得更為重要。由于第二功能信號有輸入輸出兩種情況，我們分別加以說明。

圖4 單片機P0口內(nèi)部一位結(jié)構圖

P3口的輸入輸出及P3口鎖存器、中斷、定時/計數(shù)器、串行口和特殊功能寄存器有關，P3口的第一功能和P1口一樣可作為輸入輸出端口，同樣具有字節(jié)操作和位操作兩種方式，在位操作模式下，每一位均可定義為輸入或輸出。

我們著重討論P3口的第二功能，P3口的第二功能各管腳定義如下：

·P3.0 串行輸入口(RXD)
·P3.1 串行輸出口(TXD)
·P3.2 外中斷0(INT0)
·P3.3 外中斷1(INT1)
·P3.4 定時/計數(shù)器0的外部輸入口(T0)
·P3.5 定時/計數(shù)器1的外部輸入口(T1)
·P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通(WR)
·P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通(RD)

對于第二功能為輸出引腳，當作I/O口使用時，第二功能信號線應保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸出口數(shù)據(jù)輸出通路暢通無阻。而當作第二功能口線使用時，該位的鎖存器置高電平，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸出。對于第二功能為輸入的信號引腳，在口線上的輸入通路增設了一個緩沖器，輸入的第二功能信號即從這個緩沖器的輸出端取得。而作為I/O口線輸入端時，取自三態(tài)緩沖器的輸出端。這樣，不管是作為輸入口使用還是第二功能信號輸入，輸出電路中的鎖存器輸出和第二功能輸出信號線均應置“1”。

四、IO口工作原理

1. P0作為地址數(shù)據(jù)總線時，T1和T2是一起工作的,構成推挽結(jié)構。高電平時，T1打開，T2截止；低電平時，T1截止，T2打開。這種情況下不用外接上拉電阻.而且,當T1打開,T2截止,輸出高電平的時候,因為內(nèi)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負載"的原因。

2. P0作為一般端口時，T1就永遠的截止，T2根據(jù)輸出數(shù)據(jù)0導通和1截止，導通時拉地，當然是輸出低電平；要輸出高電平，T2就截止，P0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和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)信號還是作為普通I/O口的電平信號,是依靠多路開關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；而當普通MOV傳送指令操作P0口時,MUX是切換到內(nèi)部總線上的。

5. P0、P1、P2、P3口用于輸入時，需要寫1使IO下拉的MOS管截止，以免MOS管導通將輸入拉底為0，當一直用于輸入時不用置1（先使用該IO輸出，該IO鎖存器里可能是0，再用該IO輸入則會使MOS管導通），將IO寫1后，該IO鎖存器不會變了，所以再一直用于輸入不用置1。p0用于地址數(shù)據(jù)線時輸入不用寫1，因為MUX沒和鎖存器相連。

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有固定的內(nèi)部上拉,所以有時候他們被稱為"準雙向"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 認為是"真正的"雙向,因為當它被設置為輸入的時候是浮空(高阻態(tài))的。

五、P0口上拉電阻選擇

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，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。

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1——4.7k之間的電阻以外，同時上拉電阻的阻值就可以用的特別大，用100k~500K之間的都行，當然用10K的也可以，但是考慮到省電問題，沒有必要用那么小的。

對于驅(qū)動晶體管，又分為PNP和NPN管兩種情況：對于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載，對于LED類負載，由于發(fā)管電流很小，因此上拉電阻的阻值可以用20k的，但是對于管子的集電極為繼電器負載時，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，有時候甚至用2K的。對于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1~10K的電阻，阻值的大小要看管子集電極的負載是什么，對于LED類負載，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，但是對于管子的集電極為繼電器負載時，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。

對于驅(qū)動TTL集成電路，上拉電阻的阻值要用1~10K之間的，有時候電阻太大的話是拉不起來的，因此用的阻值較小。但是對于CMOS集成電路上拉電阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，我通常用100K的，實際上對于CMOS電路，上拉電阻的阻值用1M的也是可以的，但是要注意上拉電阻的阻值太大的時候，容易產(chǎn)生干擾，尤其是線路板的線條很長的時候，這種干擾更嚴重，這種情況下上拉電阻不宜過大，一般要小于100K，有時候甚至小于10K。