单片机IO端口工作原理(P0端口,漏极开路,推挽,上拉电阻,准双向口).doc

1、单片机 IO 端口工作原理（P0 端口,漏极开路,推挽,上拉电阻,准双向口）一、P0 端口的结构及工作原理P0 端口 8 位中的一位结构图见下图：输入缓冲器：在 P0 口中，有两个三态的缓冲器，三态门有三个状态，即在其的输出端可以是高电平、低电平，同时还有一种就是高阻状态。图中有一个是读锁存器的缓冲器，也就是说，要读取 D 锁存器输出端 Q 的数据，那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端（上图中标号为读锁存器端）有效。图中另一个是读引脚的缓冲器，要读取 P0.X 引脚上的数据，也要使标号为读引脚的这个三态缓冲器的控制端有效，引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线上。D 锁存器：一个触

2、发器可以保存一位的二进制数（即具有保持功能），在 51 单片机的 32 根 I/O 口线中都是用一个 D 触发器来构成锁存器的。图中的锁存器，D 端是数据输入端，CP 是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q 是输出端，Q 非是反向输出端。对于 D 触发器来讲，当 D 输入端有一个输入信号，如果这时控制端 CP 没有信号（也就是时序脉冲没有到来），这时输入端 D 的数据是无法传输到输出端 Q 及反向输出端 Q 非的。如果时序控制端 CP 的时序脉冲一旦到了，这时 D 端输入的数据就会传输到 Q 及 Q 非端。数据传送过来后，当 CP 时序控制端的时序信号消失了，这时，输出端还会保持着上次输入端

3、 D 的数据（即把上次的数据锁存起来了）。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时 D 端的数据才再次传送到 Q端，从而改变 Q 端的状态。多路开关：在 51 单片机中，当内部的存储器够用（也就是不需要外扩展存储器时，这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器）时，P0 口可以作为通用的输入输出端口（即 I/O）使用，对于 8031（内部没有 ROM）的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量，需要外扩存储器时，P0 口就作为地址/数据总线使用。那么这个多路选择开关就是用于选择是做为普通 I/O 口使用还是作为数据/地址总线使用的选择开关了。大家看上图，当多路开关与下面接通时，P0 口是作为

4、普通的 I/O 口使用的，当多路开关是与上面接通时，P0 口是作为地址/数据总线使用的。输出驱动部份：从上图中我们已看出，P0 口的输出是由两个 MOS 管组成的推拉式结构，也就是说，这两个 MOS 管一次只能导通一个，当 V1 导通时，V2 就截止，当 V2 导通时，V1 截止。还有与门、与非门。1、作为 I/O 端口使用时的工作原理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），图中与门输出的也是一个 0（低电平），V1 管就截止，且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）。P0 口用作 I/O 口线，其由数据总线向引脚输出（即输出状

5、态）的工作过程：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。由于当多路开关的控制信号为低电平 0 时，与门输出为低电平，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）。P0 口用作 I/O 口线，其由引脚向内部数据总线输入（即输入状态 Input）的工作过程：数据输入时（读 P0 口）有两种情况1、读引脚读芯片引脚上的数据，读引脚数时，读引脚缓冲器打开（即三态缓冲器的控

6、制端要有效），通过内部数据总线输入，请看下图（红色简头）。2、读锁存器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）：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 Q0，Q 非1，场效应管 V2 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 Q1，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

7、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。下面是几条读-修改-写指令的例子。ANL P0,#立即数;P0立即数 P0 ORL P0,A ;P0AP0 INC P1;P1+1P1 DEC P3 ;P3-1P3 CPL P2;P2P2 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

8、免因外部电路的原因而使原端口的状态被读错。P0 端口是 8031 单片机的总线口，分时出现数据 D7 一 D0、低 8 位地址 A7 一AO，以及三态，用来接口存储器、外部电路与外部设备。P0 端口是使用最广泛的 IO 端口。2、作为地址/数据复用口使用时的工作原理在访问外部存储器时 P0 口作为地址/数据复用口使用。这时多路开关控制信号为1，与门解锁，与门输出信号电平由“地址/数据”线信号决定；多路开关与反相器的输出端相连，地址信号经“地址/数据”线反相器V2 场效应管栅极V2 漏极输出。例如：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，

9、输出引脚的地址信号为低电平。请看下图（兰色字体为电平）：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。P0 口又作为数据总线使用。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（111111

10、11，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。请看下图：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。如果该指令是输入数据（读外部数据存储器或程序存储器），如 MOVX A，DPTR（将外部 RAM 某一存储单元内容通过 P0 口数据总线输入到累加器 A 中），则输入的数据仍通过读引脚三态缓冲器到内部总线，其过程类似于上图中的读取指令码流程图。通过以上的分析可以看出，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，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。