单片机IO口结构及工作原理Word文档下载推荐.docx

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P0口作为I/O端口使用时，多路开关的控制信号为0（低电平），V1管截止，多路开关是与锁存器的Q非端相接的（即P0口作为I/O口线使用）。

作为地址/数据线使用时，多路开关的控制信号为1，V1管由地址/数据线决定，多路开关与地址/数据线连接。

输出过程：

1、I/O输出工作过程：

当写锁存器信号CP有效，数据总线的信号→锁存器的输入端D→锁存器的反向输出Q非端→多路开关→V2管的栅极→V2的漏极到输出端P0.X。

这时多路开关的控制信号为低电平0，V1管是截止的，所以作为输出口时，P0是漏极开路输出，类似于OC门，当驱动上接电流负载时，需要外接上拉电阻。

下图就是由内部数据总线向P0口输出数据的流程图（红色箭头）。

2、地址输出过程

控制信号为1，地址信号为“0”时，与门输出低电平，V1管截止；

反相器输出高电平，V2管导通，输出引脚的地址信号为低电平。

反之，控制信号为“1”、地址信号为“1”，“与门”输出为高电平，V1管导通；

反相器输出低电平，V2管截止，输出引脚的地址信号为高电平。

请看下图（兰色字体为电平）：

可见，在输出“地址/数据”信息时，V1、V2管是交替导通的，负载能力很强，可以直接与外设存储器相连，无须增加总线驱动器。

3、作为数据总线的输出过程

如果该指令是输出数据，如MOVX 

@DPTR，A（将累加器的内容通过P0口数据总线传送到外部RAM中），则多路开关“控制”信号为‘1’，“与门”解锁，与输出地址信号的工作流程类似，数据据由“地址/数据”线→反相器→V2场效应管栅极→V2漏极输出。

输入过程：

1、I/O读引脚工作过程：

读芯片引脚上的数据时，读引脚缓冲器打开，通过内部数据总线输入，请看下图（红色简头）。

2、I/O读锁存器工作过程：

通过打开读锁存器三态缓冲器读取锁存器输出端Q的状态，请看下图（红色箭头）：

3、地址/数据时读指令码和数据过程

作为数据总线使用。

在访问外部程序存储器时，P0口输出低8位地址信息后，将变为数据总线，以便读指令码（输入）。

在取指令期间，“控制”信号为“0”，V1管截止，多路开关也跟着转向锁存器反相输出端Q非；

CPU自动将0FFH（11111111，即向D锁存器写入一个高电平‘1’）写入P0口锁存器，使V2管截止，在读引脚信号控制下，通过读引脚三态门电路将指令码读到内部总线，这个过程和I/O读引脚过程是一样的。

在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。

例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q＝0，Q非＝1，场效应管T2开通，端口线呈低电平状态。

此时无论端口线上外接的信号是低电乎还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。

又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q＝1，Q非＝0，场效应管T2截止。

如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。

为此，8031单片机在对端口P0一P3的输入操作上，有如下约定：

为此，8051单片机在对端口P0一P3的输入操作上，有如下约定：

凡属于读-修改-写方式的指令，从锁存器读入信号，其它指令则从端口引脚线上读入信号。

读-修改-写指令的特点是，从端口输入（读）信号，在单片机内加以运算（修改）后，再输出（写）到该端口上。

这样安排的原因在于读-修改-写指令需要得到端口原输出的状态，修改后再输出，读锁存器而不是读引脚，可以避免因外部电路的原因而使原端口的状态被读错。

当P0作为地址/数据总线使用时，在读指令码或输入数据前，CPU自动向P0口锁存器写入0FFH，破坏了P0口原来的状态。

因此，不能再作为通用的I/O端口。

在系统设计时务必注意，即程序中不能再含有以P0口作为操作数（包含源操作数和目的操作数）的指令。

二、P1端口的结构及工作原理

由图可见，P1端口与P0端口的主要差别在于，P1端口用内部上拉电阻R代替了P0端口的场效应管T1，并且输出的信息仅来自内部总线。

由内部总线输出的数据经锁存器反相和场效应管反相后，锁存在端口线上，所以，P1端口是具有输出锁存的静态口。

要正确地从引脚上读入外部信息，必须先使场效应管关断，以便由外部输入的信息确定引脚的状态。

为此，在作引脚读入前，必须先对该端口写入l。

具有这种操作特点的输入/输出端口，称为准双向I/O口。

8051单片机的P1、P2、P3都是准双向口。

P0端口由于输出有三态功能，输入前，端口线已处于高阻态，无需先写入l后再作读操作。

单片机复位后，各个端口已自动地被写入了1，此时，可直接作输入操作。

如果在应用端口的过程中，已向P1一P3端口线输出过0，则再要输入时，必须先写1后再读引脚，才能得到正确的信息。

此外，随输入指令的不同，P1端口也有读锁存器与读引脚之分。

三、P2端口的结构及工作原理:

由图可见，P2端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关MUX，所以P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特点。

这主要表现在输出功能上，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上；

当多路开关向上时，输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上。

对于8031单片机必须外接程序存储器才能构成应用电路（或者我们的应用电路扩展了外部存储器），而P2端口就是用来周期性地输出从外存中取指令的地址（高8位地址），因此，P2端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。

因此P2端口是动态的I/O端口。

输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。

其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部RAM的高8位地址。

在输入功能方面，P2端口与P0和H端口相同，有读引脚和读锁存器之分，并且P2端口也是准双向口。

可见，P2端口的主要特点包括：

①不能输出静态的数据；

②自身输出外部程序存储器的高8位地址；

②执行MOVX指令时，还输出外部RAM的高位地址，故称P2端口为动态地址端口。

即然P2口可以作为I/O口使用，也可以作为地址总线使用，下面我们就分析下它的两种工作状态。

1、作为I/O端口使用时的工作过程

当没有外部程序存储器或虽然有外部数据存储器，但容易不大于256B，即不需要高8位地址时（在这种情况下，不能通过数据地址寄存器DPTR读写外部数据存储器），P2口可以I/O口使用。

这时，“控制”信号为“0”，多路开关转向锁存器同相输出端Q，输出信号经内部总线→锁存器同相输出端Q→反相器→V2管栅极→V2管9漏极输出。

由于V2漏极带有上拉电阻，可以提供一定的上拉电流，负载能力约为8个TTL与非门；

作为输出口前，同样需要向锁存器写入“1”，使反相器输出低电平，V2管截止，即引脚悬空时为高电平，防止引脚被钳位在低电平。

读引脚有效后，输入信息经读引脚三态门电路到内部数据总线。

2、作为地址总线使用时的工作过程

P2口作为地址总线时，“控制”信号为‘1’，多路开关车向地址线（即向上接通），地址信息经反相器→V2管栅极→漏极输出。

由于P2口输出高8位地址，与P0口不同，无须分时使用，因此P2口上的地址信息（程序存储器上的A15~A8）功数据地址寄存器高8位DPH保存时间长，无须锁存。

四、P3端口的结构及工作原理

P3口是一个多功能口，它除了可以作为I/O口外，还具有第二功能，P3端口的一位结构见下图

上图可见，P3端口和P1端口的结构相似，区别仅在于P3端口的各端口线有两种功能选择。

当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，其作用与P1端口作用相同，也是静态准双向I/O端口。

当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。

由于输出信号锁存并且有双重功能，故P3端口为静态双功能端口。

使P3端品各线处于第二功能的条件是:

1、串行I/O处于运行状态（RXD,TXD）;

2、打开了处部中断（INT0,INT1）;

3、定时器/计数器处于外部计数状态（T0,T1）

4、执行读写外部RAM的指令（RD,WR）

在应用中,如不设定P3端口各位的第二功能（WR,RD信号的产生不用设置）,则P3端口线自动处于第一功能状态，也就是静态I／O端口的工作状态。

在更多的场合是根据应用的需要，把几条端口线设置为第二功能，而另外几条端口线处于第一功能运行状态。

在这种情况下，不宜对P3端口作字节操作，需采用位操作的形式。

四、驱动能力

P0端口能驱动8个LSTTL负载。

如需增加负载能力，可在P0总线上增加总线驱动器。

P1，P2，P3端口各能驱动4个LSTTL负载。

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，所以对这些端口寄存器的读／写就实现了信息从相应端口的输入／输出。

例如：

MOVA，P1；

把Pl端口线上的信息输入到A

MoVP1，A；

把A的内容由P1端口输出

MOVP3，#0FFH；

使P3端口线各位置l

Ｉ／Ｏ口线的低电平的驱动能力明显高于高电平的驱动能力；

关于51单片机P0口的结构及上拉问题

１.P0作为地址数据总线时，Ｔ１和Ｔ２是一起工作的,构成推挽结构。

高电平时，Ｔ１打开，Ｔ２截止；

低电平时，Ｔ１截止，Ｔ２打开。

这种情况下不用外接上拉电阻.而且,当T1打开,T2截止,输出高电平的时候,因为内部电源直接通过T1输出到P0口线上,因此驱动能力（电流）可以很大,这就是为什么教科书上说可以"

驱动8个TTL负载"

的原因.

２.P0作为一般端口时，Ｔ１就永远的截止，Ｔ２根据输出数据０导通和1截止，导通时拉地，当然是输出低电平；

截止时，ＰＯ口就没有输出了，（注意,这种情况就是所谓的高阻浮空状态）,如果加上外部上拉电阻，输出就变成了高电平1.

３.其他端口Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３,在内部直接将P1口中的T1换成了上拉电阻,所以不用外接，但内部上拉电阻太大，电流太小，有时因为电流不够，也会再并一个上拉电阻。

4.在某个时刻,P0口上输出的是作为总线的地址数据信号还是作为普通I/O口的电平信号,是依靠多路开关MUX来切换的.而MUX的切换,又是根据单片机指令来区分的.当指令为外部存储器/IO口读/写时,比如MOVXA,@DPTR,MUX是切换到地址/数据总线上;

而当普通MOV传送指令操作P0口时,MUX是切换到内部总线上的.

PS:

BecausePorts1,2,and3havefixedinternalpullups,theyaresometimescalled“quasi-bidirectional”ports.

因为端口1、2、3有固定的内部上拉,所以有时候他们被称为"

准双向"

口.

Port0,ontheotherhand,isconsidered“true”bidirectional,becausewhenconfiguredasaninputitfloats.

端口0,从另外一方面来说,就被认为是"

真正的"

双向,因为当它被设置为输入的时候是浮空（高阻态）的.

51单片机P0口的作为I/O的问题，其实看了51的P1口的电路就很容易理解了，主要是一个锁存器和推拉结构，在此作些说明。

当用作输出，所有口线的状态都与SFR锁存位的设置有密切的联系。

P0口为低除外。

当P0口的一个位写入0时，这个位被拉低。

但是对P0口的其中一个位写入1时，这个位呈现高阻，也就是未能连机，不能使用。

要想获得1输出，你必须在P0口外加上拉电阻。

一般驱动LED的上拉电阻为470Ω，外接逻辑电路的上拉电阻为4.7K。

补充：

一些口线被作为简单的高电平输入也与SFR锁存位有关。

因为P1、P2、P3有内部上拉电阻，可以随意被拉高，拉低。

而P0口作为高电平输入时，也会呈现高阻态。

P0口和P2口的输入缓冲被用来作存取外部存贮用，P0口用作外部存贮器的低位字节的位址，并与数据读写多工。

输出第一位元址，当位置线是16位时，P2口用作高8位的位址线，因此当对外面存贮时，P0口、P2口没法当作I/O口线。

P1口具有内部上拉电阻，当端口用作输入时，必须通过指令将端口的位锁存器置1，以关闭输出驱动场效应管，这时P1口的引脚由内部上拉电阻拉为高电平，所以向P1写入1，工作正常。

P0则不同，它没有内部上拉电阻，在驱动场效应管的上方有一个提升场效应管，它只是在对外存储器进行读写操作，用作地址/数据时才起作用，当向位锁存器写入1，使驱动场效应管截止，则引脚浮空，所以写入1而未获得。

P0口上拉电阻的阻值：

1、如果是驱动led，那么用1K左右的就行了。

如果希望亮度大一些，电阻可减小，最小不要小于200欧姆，否则电流太大；

如果希望亮度小一些，电阻可增大，增加到多少呢，主要看亮度情况，以亮度合适为准，一般来说超过3K以上时，亮度就很弱了，但是对于超高亮度的LED，有时候电阻为10K时觉得亮度还能够用。

我通常就用1k的。

2、对于驱动光耦合器，如果是高电位有效，即耦合器输入端接端口和地之间，那么和LED的情况是一样的；

如果是低电位有效，即耦合器输入端接端口和VCC之间，那么除了要串接一个1——4.7k之间的电阻以外，同时上拉电阻的阻值就可以用的特别大，用100k——500K之间的都行，当然用10K的也可以，但是考虑到省电问题，没有必要用那么小的。

3、对于驱动晶体管，又分为PNP和NPN管两种情况：

对于NPN，毫无疑问NPN管是高电平有效的，因此上拉电阻的阻值用2K——20K之间的，具体的大小还要看晶体管的集电极接的是什么负载，对于LED类负载，由于发管电流很小，因此上拉电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K，有时候甚至用2K的。

对于PNP管，毫无疑问PNP管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基极必须串接一个1——10K的电阻，阻值的大小要看管子集电极的负载是什么，对于LED类负载，由于发光电流很小，因此基极串接的电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K。

3、对于驱动TTL集成电路，上拉电阻的阻值要用1——10K之间的，有时候电阻太大的话是拉不起来的，因此用的阻值较小。

但是对于CMOS集成电路，上拉电阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，我通常用100K的，实际上对于CMOS电路，上拉电阻的阻值用1M的也是可以的，但是要注意上拉电阻的阻值太大的时候，容易产生干扰，尤其是线路板的线条很长的时候，这种干扰更严重，这种情况下上拉电阻不宜过大，一般要小于100K，有时候甚至小于10K。

根据以上分析，上拉电阻的阻值的选取是有很多讲究的，不能乱用，具体情况比较复杂，如果你是个莱鸟，那么你尽量用小一些的，这样牺牲一些电源功耗。

不过最好请教一下有关人员。