2.5 并行I/O口

8051具有4個8位的并行I/O端口，分別為P0、P1、P2和P3，共32條I/O線。這些I/O端口是雙向I/O端口，每個端口均可以用做輸入和輸出。其實，這些I/O端口分別對應4個特殊功能寄存器P0、P1、P2和P3。

2.5.1 并行I/O口的結構

8051有4組8位I/O口：P0、P1、P2和P3口。P1、P2和P3為準雙向口，P0口則為雙向三態輸入/輸出口，下面分別介紹這幾個端口的結構。

1．P0端口結構

P0端口是由8個相同結構的引腳組成的，對于某一個引腳結構，如圖2.6所示。P0端口內部包含一個輸出鎖存器、一個輸出驅動電路、一個輸出控制電路、轉換開關MUX和兩個三態緩沖器。其中，輸出驅動電路由一對場效應管（FET）組成，整個端口的工作狀態受控于輸出控制電路。

P0端口既是一個真正的雙向數據總線口，也可以分時復用輸出低8位地址總線。

當作為普通的I/O使用時，對應的控制信號為0。電子模擬開關MUX將鎖存器的Q端和輸出端連接在一起。同時與門輸出為0使上拉FET截止，這時的輸出是漏極開路電路，故需要外接上拉電阻（5～10KΩ左右）才能正常工作。其工作情冴如下：

◆ 當程序中使該輸出為0時，鎖存器的輸出端為高電平，致使下拉FET導通，從而輸出端輸出0；

◆ 當程序中設置輸出1時，鎖存器的為低電平，致使下拉FET截止，由外接的上拉電阻將輸出端變為高電平，從而輸出1。

對于輸入的情冴，一般應首先置各個鎖存器為1（即輸出FFH），才能保證獲得正確的輸入結果。即作為普通I/O端口時，其不是一個真正的雙向I/O端口，而是一個準雙向端口。

當P0口用做低8位地址/數據分時復用時，控制信號為高電平1，控制電子模擬開關MUX與地址/數據線經反相器輸出相連，并與下拉FET導通，同時與門開鎖，輸出地址/數據信號，既通過與門驅動上拉FET，又通過反相器驅動下拉FET。其工作情冴如下：

◆ 當輸出信號1時，上拉FET導通，而1經過反相器后變為0，使下拉FET截止，從而在輸出引腳上輸出高電平1；

◆ 當輸出信號0時，上拉FET截止，而0經過反相器后變為1，使下拉FET導通，從而使輸出引腳上輸出低電平0。

由于P0口做地址/數據分時復用方式時，經復位后自動置P0口為0FFH，使下拉FET截止，控制為0時上拉FET也截止，從而保證在高阻抗狀態下輸入正確的信息。因此，P0口作為地址/數據總線時是一個真正的雙向口，能夠驅動8個LSTTL負載。

2．P2口結構

P2口的結構示意圖，如圖2.7所示。P2口可以當做普通I/O口也可以在系統外部擴展存儲器的時候，輸出高8位的地址。其工作情冴如下：

◆ 當P2口用做高8位地址時，控制信號用電子模擬開關MUX接通地址端，高8位地址信號便加到輸出端口，從而實現8位地址的輸出；

◆ 當P2口用做普通I/O口時，控制信號用電子模擬開關MUX接通鎖存器的Q端，則進行通用I/O操作。此時，P2口屬于準雙向I/O口。因此，在復位情冴下，可以直接從引腳輸入外部數據信息；而在運行中，由輸出轉為輸入方式的時候，則應該加一條輸出0FFH指令，再從端口讀入才正確。其余操作和P0口類似，P2口可以驅動4個LSTTL負載。

3．P1口結構

P1口的結構示意圖，如圖2.8所示。P1口一般用做通用I/O端口，可以用于位處理，各位都可以單獨輸出或輸入信息。

P1口同樣是準雙向的I/O端口，當需要某位先輸出然后輸入的時候，應該在輸入操作前，加一條輸出1的指令，然后再輸入才正確。對于復位后，由于各位鎖存器均置為1，端輸出為0，下拉FET截止，因此，各位用做輸出或輸入都是正確的。

對于AT89S52，P1端口的某些引腳還可以有第二功用。P1.0引腳用于定時/計數器2的外部事件計數輸入端口，P1.1引腳用于定時/計數器2的外部控制端口。P1.5～P1.7還用于片內Flash的編程。

4．P3口內部結構

P3口的內部結構，如圖2.9所示。P3端口是一個具有第二變異功能、且可位操作的端口，可以有兩種用途：

當作為普通I/O端口時，P3口可以進行位操作，是準雙向端口，可以驅動4個LSTTL負載；當系統需要擴展外部器件時，P3口可以作為第二變異功能使用，各位的功能，如表2.7所示。

表2.7 P3端口的第二變異功能

2.5.2 并行I/O口的應用

單片機4個8位I/O端口的結構特點，決定了各自的應用范圍。例如，在實際應用系統中，單用一個單片機很難達到系統的要求，經常需要外部功能擴展。因此，單片機的P0口和P2口常用于組成16位地址總線。P0口用做8位數據總線，P3口由于其特有的第二變異功能，因此常用于傳輸和控制等，只有P1口可以真正用于I/O操作。

另外，在單片機應用時，P0口需要外加上拉電阻，而P1口、P2口和P3口內部設有上拉電阻，不用外加。這4個I/O端口均為準雙向I/O端口，其驅動能力不同，P0口的驅動能力最強，可以驅動8個LSTTL負載，其余3個端口只能驅動4個LSTTL負載。

還有一個需要強調的是，這些端口都有兩種讀方式：讀鎖存器和讀引腳。這是因為在I/O端口中，鎖存器內容和引腳上的內容有可能不一致。

例如，當單片機的某個I/O引腳用于驅動三極管的基極時，向該引腳寫入1，使三極管導通，此時基極的電壓便發生由1到0的跳變，從而使該引腳也變為低電平，而此時鎖存器中的內容仍然為1。這樣便出現鎖存器和引腳內容不一致的情冴。

在單片機的指令系統中，有些指令用來讀鎖存器中的內容，有些指令則用來讀引腳內容。當指令的目的操作數為I/O口時，該指令所讀的便是鎖存器中的內容，而不是引腳上的內容。

讀鎖存器的指令，示例如下：

ANL P2,A
INC P1
CPL P1.3
XRL P1,A
ORL P1,A

2.5.3 并行I/O口的擴展

單片機通過I/O口和外部設備進行通信，雖然51系列單片機提供了4個8位的并行I/O口，但是這些I/O口一般不能完全用于輸入/輸出操作。

例如，很多時候都需要擴展外部程序存儲器或數據存儲器，此時P0口和P2口便用做數據和地址總線，提供給用戶的I/O口只有P1口和P3口。如果再使用串行通信或者中斷等，則可使用的I/O口便更少。因此，在單片機的系統設計中，經常需要擴展I/O口。

1．并行I/O口的原理

51系列單片機的I/O口的擴展，一般采用將擴展的I/O口與外部RAM統一編址的方式。用戶可以將外部64KB的RAM空間的一部分作為擴展I/O口的地址空間，CPU使用“MOVX”指令對此擴展I/O口進行輸入/輸出操作，即可以像訪問外部RAM存儲單元一樣來訪問擴展的I/O口。

并行I/O口的擴展有兩種方式，可以采用普通的鎖存器、三態門等芯片來進行簡單的I/O口擴展，也可以采用可編程的I/O芯片，如8255、8155等進行擴展。

可編程的I/O芯片比較貴，而且使用比較復雜。在實際的單片機應用系統中，一般采用第一種方法，這種I/O口通過P0口擴展，其成本低、電路簡單、使用也很方便。

2．并行I/O口擴展實例

這里給出使用普通的鎖存器、三態門等芯片進行并行I/O口擴展的一個例子。電路的示意圖如圖2.10所示。

在該電路中，采用74LS273作為端口的擴展輸出、74LS244作為端口的擴展輸入。如果系統中還有其他擴展I/O端口，可以使用線選法或譯碼法將其所使用的地址空間分開。下面分析電路的原理。

在圖2.10中，輸出控制信號由引腳P2.0和取或運算而得，當兩者都為低電平的時候，或門輸出為0，將P0端口的數據鎖存到74LS273中。74LS273的輸出控制發光二極管，當某引腳輸出低電平的時候，對應的發光二極管發亮。

輸入信號由引腳P2.0和取或運算而得。當兩者都為低電平的時候，或門輸出為0，此時選通74LS244，將外部的數據信息輸入到總線。圖2.10中，與74LS244相連的按鍵開關按下的時候，將輸入1，否則將輸入0。

可見，通過8051的雙向數據線P0端口，既可以從74LS244輸入數據，又可以將數據傳送到74LS273中輸出。

輸入和輸出都是在P2.0引腳為0的時候有效的，分別用和來區別控制，因此不會產生輸入/輸出沖突。

在程序中訪問擴展I/O口是通過“MOVX”指令來實現的。例如，需要讀入擴展I/O口的數據，并保存到累加器A中，則程序的示例代碼如下：

MOV DPTR，#0FEFFH ;P2.0=0，即數據指針指向擴展I/O地址

MOVX A,@DPTR ;從74LS244讀入數據

如果需要將累加器A中的數據輸出，則程序的示例代碼如下：

MOV DPTR，#0FEFFH ;P2.0=0，即數據指針指向擴展I/O地址

MOVX @DPTR,A ;從74LS133讀出數據