2.2 8051單片機(jī)I/O端口的結(jié)構(gòu)與工作原理

單片機(jī)的I/O端口是輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的通道。8051單片機(jī)有P0、P1、P2、P34組I/O端口，每組端口有8個(gè)引腳。要學(xué)好單片機(jī)技術(shù)，應(yīng)了解這些端口內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)與工作原理。

2.2.1 P0端口

P0端口有P0.0～P0.7共8個(gè)引腳，這些引腳除了可用作輸入引腳和輸出引腳外，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，還可用作地址數(shù)據(jù)總線引腳。P0端口每個(gè)引腳的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)都相同，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。

（1）P0端口用作輸出端口的工作原理

以單片機(jī)需要從P0.x引腳輸出高電平“1”為例。單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路通過控制線送出“0（低電平）”到與門的一個(gè)輸入端和電子開關(guān)的控制端，控制線上的“0”一方面使與門關(guān)閉（即與門的一端為“0”時(shí)，不管另一端輸入何種信號(hào)，輸出都為“0”），晶體管VT1柵極為“0”處于截止，地址/數(shù)據(jù)線送來的信號(hào)無法通過與門和晶體管VT1；控制線上的“0”另一方面控制電子開關(guān)，讓電子開關(guān)與鎖存器的端連接。CPU再?gòu)膬?nèi)部總線送高電平“1”到鎖存器的D端，同時(shí)往鎖存器的CL端送寫鎖存器信號(hào)，D端的“1”馬上存入鎖存器并從Q和端輸出，D端輸入“1”，Q端輸出“1”，端則輸出“0”，端輸出“0”經(jīng)電子開關(guān)送到晶體管VT2的柵極，VT2截止，由于VT1也處于截止，P0.x引腳處于懸浮狀態(tài)，因此需要在P0.x引腳上接上拉電阻，在VT2截止時(shí)，P0.x引腳輸出高電平。

也就是說，當(dāng)單片機(jī)需要將P0端口用作輸出端口時(shí)，內(nèi)部CPU會(huì)送控制信號(hào)“0”到與門和電子開關(guān)，與門關(guān)閉（上晶體管VT1同時(shí)截止，將地址/數(shù)據(jù)線與輸出電路隔開），電子開關(guān)將鎖存器與輸出電路連接，然后CPU通過內(nèi)部總線往P0端口鎖存器送數(shù)據(jù)和寫鎖存器信號(hào)，數(shù)據(jù)通過鎖存器、電子開關(guān)和輸出電路從P0端口的引腳輸出。

在P0端口用作輸出端口時(shí)，內(nèi)部輸出電路的上晶體管處于截止（開路）狀態(tài)，下晶體管的漏極處于開路狀態(tài)（稱為晶體管開漏），因此需要在P0端口引腳接外部上拉電阻，否則無法可靠輸出“1”或“0”。

（2）P0端口用作輸入端口的工作原理

當(dāng)單片機(jī)需要將P0端口用作輸入端口時(shí)，內(nèi)部CPU會(huì)先往P0端口鎖存器寫入“1”（往鎖存器D端送“1”，同時(shí)給CL端送寫鎖存器信號(hào)），讓=0，VT2截止，關(guān)閉輸出電路。P0端口引腳輸入的信號(hào)送到輸入三態(tài)門的輸入端，此時(shí)CPU再給三態(tài)門的控制端送讀引腳控制信號(hào)，輸入三態(tài)門打開，P0端口引腳輸入的信號(hào)就可以通過三態(tài)門送到內(nèi)部總線。

如果單片機(jī)的CPU需要讀取P0端口鎖存器的值（或稱讀取鎖存器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)），會(huì)送讀鎖存器控制信號(hào)到三態(tài)門（上方的三態(tài)門），三態(tài)門打開，P0鎖存器的值（Q值）給三態(tài)門送到內(nèi)部總線。

（3）P0端口用作地址/數(shù)據(jù)總線的工作原理

如果要將P0端口用作地址/數(shù)據(jù)總線，單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路會(huì)通過控制線發(fā)出“1”，讓與門打開，讓電子開關(guān)和非門輸出端連接。當(dāng)內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線為“1”時(shí)，“1”一方面通過與門送到VT1的柵極，VT1導(dǎo)通，另一方面送到非門，反相后變?yōu)椤?”，經(jīng)電子開關(guān)送到VT2的柵極，VT2截止，VT1導(dǎo)通，P0端口引腳輸出為“1”；當(dāng)內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線為“0”時(shí)，VT1截止，VT2導(dǎo)通，P0端口引腳輸出“0”。

也就是說，當(dāng)單片機(jī)需要將P0端口用作地址/數(shù)據(jù)總線時(shí)，CPU會(huì)給與門和電子開關(guān)的控制端送“1”，與門打開，將內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線與輸出電路的上晶體管VT1接通，電子開關(guān)切斷輸出電路與鎖存器的連接，同時(shí)將內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線經(jīng)非門反相后與輸出電路的下晶體管VT1接通，這樣VT1、VT2狀態(tài)相反，讓P0端口引腳能穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)或地址信號(hào)（1或0）。

2.2.2 P1端口

P1端口有P1.0～P1.7共8個(gè)引腳，這些引腳可作輸入引腳和輸出引腳。P1端口每個(gè)引腳的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)都相同，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。P1端口的結(jié)構(gòu)較P0端口簡(jiǎn)單很多，其輸出電路采用了一個(gè)晶體管，在晶體管的漏極接了一只內(nèi)部上拉電阻，所以在P1端口引腳外部可以不接上拉電阻。

（1）P1端口用作輸出端口的工作原理

當(dāng)需要將P1端口用作輸出端口時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路除了會(huì)往鎖存器的D端送數(shù)據(jù)外，還會(huì)往鎖存器CL端送寫鎖存器信號(hào)，內(nèi)部總線送來的數(shù)據(jù)通過D端進(jìn)入鎖存器并從Q和端輸出，如D端輸入“1”，則端輸出“0”（Q端輸出“1”），端的“0”送到晶體管的柵極，晶體管截止，從P1端口引腳輸出“1”。

（2）P1端口用作輸入端口的工作原理

當(dāng)需要將P1端口用作輸入端口時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路會(huì)先往P1鎖存器寫“1”，讓Q=1、=0，=0會(huì)使晶體管截止，關(guān)閉P1端口的輸出電路，然后CPU往輸入三態(tài)門控制端送一個(gè)讀引腳控制信號(hào)，輸入三態(tài)門打開，從P1端口引腳輸入的信號(hào)經(jīng)輸入三態(tài)門送到內(nèi)部總線。

2.2.3 P2端口

P2端口有P2.0～P2.7共8個(gè)引腳，這些引腳除了可用作輸入引腳和輸出引腳外，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，還可用作地址總線（高8位）引腳。P2端口每個(gè)引腳的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)都相同，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。

（1）P2端口用作輸入/輸出（I/O）端口的工作原理

當(dāng)需要將P2端口用作I/O端口時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路會(huì)送控制信號(hào)到電子開關(guān)的控制端，讓電子開關(guān)與P2鎖存器的Q端連接。

若要將P2端口用作輸出端口，CPU會(huì)通過內(nèi)部總線將數(shù)據(jù)送到鎖存器的D端，同時(shí)給鎖存器的CL端送寫鎖存器信號(hào)，D端數(shù)據(jù)存入鎖存器并從Q端輸出，再通過電子開關(guān)、非門和晶體管從P2端口引腳輸出。

若要將P2端口用作輸入端口，CPU會(huì)先往P2鎖存器寫“1”，讓Q=1、=0，Q=1會(huì)使晶體管截止，關(guān)閉P2端口的輸出電路，然后CPU往輸入三態(tài)門控制端送一個(gè)讀引腳控制信號(hào)，輸入三態(tài)門打開，從P2端口引腳輸入的信號(hào)經(jīng)輸入三態(tài)門送到內(nèi)部總線。

（2）P2端口用作地址總線引腳的工作原理

如果要將P2端口用作地址總線引腳，單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路會(huì)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)到電子開關(guān)的控制端，讓電子開關(guān)與內(nèi)部地址線接通，地址總線上的信號(hào)就可以通過電子開關(guān)、非門和晶體管后從P2端口引腳輸出。

2.2.4 P3端口

P3端口有P3.0～P3.7共8個(gè)引腳，P3端口除了可用作輸入引腳和輸出引腳外，還具有第二功能。P3端口每個(gè)引腳的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)都相同，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

（1）P3端口用作I/O端口的工作原理

當(dāng)需要將P3端口用作I/O端口時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)電路會(huì)送出“1”到與非門的一個(gè)輸入端（第二功能輸出端），打開與非門（與非門的特點(diǎn)是：一個(gè)輸入端為“1”時(shí)，輸出端與另一個(gè)輸入端狀態(tài)始終相反）。

若要將P3端口用作輸出端口，CPU給鎖存器的CL端送寫鎖存器信號(hào)，內(nèi)部總線送來的數(shù)據(jù)通過D端進(jìn)入鎖存器并從Q端輸出，再通過與非門和晶體管兩次反相后從P3端口引腳輸出。

若要將P2端口用作輸入端口，CPU會(huì)先往P3鎖存器寫“1”，讓Q=1，與非門輸出“0”，晶體管截止，關(guān)閉P3端口的輸出電路，然后CPU往輸入三態(tài)門控制端送一個(gè)讀引腳控制信號(hào)，輸入三態(tài)門打開，從P3端口引腳輸入的信號(hào)經(jīng)過輸入緩沖器和輸入三態(tài)門送到內(nèi)部總線。

（2）當(dāng)P3端口用作第二功能時(shí)

P3端口的每個(gè)引腳都有第二功能，具體見表2-1。P0端口用作第二功能（又稱復(fù)用功能）時(shí)，實(shí)際上也是在該端口輸入或輸出信號(hào)，只不過輸入、輸出的是一些特殊功能的信號(hào)。

當(dāng)單片機(jī)需要將P3端口用作第二功能輸出信號(hào)（如RD、WR信號(hào)）時(shí)，CPU會(huì)先往P3鎖存器寫“1”，Q=1，它送到與非門的一個(gè)輸入端，與非門打開，內(nèi)部的第二功能輸出信號(hào)送到與非門的另一個(gè)輸入端，反相后輸出去晶體管的柵極，經(jīng)晶體管再次反相后從P0端口引腳輸出。

當(dāng)單片機(jī)需要將P3端口用作第二功能輸入信號(hào)（如T0、T1信號(hào)）時(shí)，CPU也會(huì)往P3鎖存器寫“1”，Q=1，同時(shí)第二功能輸出端也為“1”，與非門輸出為“0”，晶體管截止，關(guān)閉輸出電路，P0端口引腳輸入的第二功能信號(hào)經(jīng)輸入緩沖器送往特定的電路（如T0、T1計(jì)數(shù)器）。