8051單片機(jī)I/O引腳工作原理

在取指令期間，“控制”信號(hào)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(dòng)將0FFH（11111111，即向D鎖存器寫入一個(gè)高電平‘1’）寫入P0口鎖存器，使V2管截止，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。請(qǐng)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(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(hào)為‘1’，“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→反相器→V2場(chǎng)效應(yīng)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(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器），如MOVXA，@DPTR（將外部RAM某一存儲(chǔ)單元內(nèi)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(nèi)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(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(lái)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(shè)計(jì)時(shí)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

P1口的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)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(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(lái)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。

由上圖可見，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1。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)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1后再作讀操作。

P1口的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，前面我們已詳細(xì)的分析了P0口，只要大家認(rèn)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(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，則再要輸入時(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，H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:

P2端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖：

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(lái)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(lái)的數(shù)據(jù)和從地址信號(hào)線上來(lái)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P2端口也是準(zhǔn)雙向口。

可見，P2端口的主要特點(diǎn)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(chǔ)器的高8位地址；

②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，下面我們就不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)地址寄存器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→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(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→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A15~A8）功數(shù)據(jù)地址寄存器高8位DPH保存時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)須鎖存。

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)見下圖。

由上圖可見，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)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(yùn)行狀態(tài)(RXD,TXD);

2、打開了處部中斷(INT0,INT1);

3、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器處于外部計(jì)數(shù)狀態(tài)(T0,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信叼的產(chǎn)生不用設(shè)置),則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。

端口的負(fù)載能力和輸入／輸出操作:

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。

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(duì)這些端口寄存器的讀／寫就實(shí)現(xiàn)了信息從相應(yīng)端口的輸入／輸出。例如：

MOVA，P1；把Pl端口線上的信息輸入到A

MoVP1，A；把A的內(nèi)容由P1端口輸出

MOVP3，#0FFH；使P3