8051單片機(jī)I/O引腳工作原理

P0端口8位中的一位結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)下圖：

由上圖可見(jiàn)，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開(kāi)關(guān)、一個(gè)與非門(mén)、一個(gè)與門(mén)及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。再看圖的右邊，標(biāo)號(hào)為P0.X引腳的圖標(biāo)，也就是說(shuō)P0.X引腳可以是P0.0到P0.7的任何一位，即在P0口有8個(gè)與上圖相同的電路組成。

下面，我們先就組成P0口的每個(gè)單元部份跟大家介紹一下：

先看輸入緩沖器：在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，在學(xué)數(shù)字電路時(shí)，我們已知道，三態(tài)門(mén)有三個(gè)狀態(tài)，即在其的輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種就是高阻狀態(tài)（或稱(chēng)為禁止?fàn)顟B(tài)），大家看上圖，上面一個(gè)是讀鎖存器的緩沖器，也就是說(shuō)，要讀取D鎖存器輸出端Q的數(shù)據(jù)，那就得使讀鎖存器的這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端（上圖中標(biāo)號(hào)為‘讀鎖存器’端）有效。下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數(shù)據(jù)，也要使標(biāo)號(hào)為‘讀引腳’的這個(gè)三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)轿覀儐纹瑱C(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。

D鎖存器：構(gòu)成一個(gè)鎖存器，通常要用一個(gè)時(shí)序電路，時(shí)序的單元電路在學(xué)數(shù)字電路時(shí)我們已知道，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位的二進(jìn)制數(shù)（即具有保持功能），在51單片機(jī)的32根I/O口線(xiàn)中都是用一個(gè)D觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成鎖存器的。大家看上圖中的D鎖存器，D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端（也就是時(shí)序控制信號(hào)輸入端），Q是輸出端，Q非是反向輸出端。

對(duì)于D觸發(fā)器來(lái)講，當(dāng)D輸入端有一個(gè)輸入信號(hào)，如果這時(shí)控制端CP沒(méi)有信號(hào)（也就是時(shí)序脈沖沒(méi)有到來(lái)），這時(shí)輸入端D的數(shù)據(jù)是無(wú)法傳輸?shù)捷敵龆薗及反向輸出端Q非的。如果時(shí)序控制端CP的時(shí)序脈沖一旦到了，這時(shí)D端輸入的數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)絈及Q非端。數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)后，當(dāng)CP時(shí)序控制端的時(shí)序信號(hào)消失了，這時(shí)，輸出端還會(huì)保持著上次輸入端D的數(shù)據(jù)（即把上次的數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)了）。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號(hào)來(lái)了，這時(shí)D端的數(shù)據(jù)才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。

多路開(kāi)關(guān)：在51單片機(jī)中，當(dāng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器夠用（也就是不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，這里講的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及程序存儲(chǔ)器）時(shí)，P0口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對(duì)于8031（內(nèi)部沒(méi)有ROM）的單片機(jī)或者編寫(xiě)的程序超過(guò)了單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量，需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口就作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線(xiàn)使用。那么這個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)就是用于選擇是做為普通I/O口使用還是作為‘數(shù)據(jù)/地址’總線(xiàn)使用的選擇開(kāi)關(guān)了。大家看上圖，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)與下面接通時(shí)，P0口是作為普通的I/O口使用的，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)是與上面接通時(shí)，P0口是作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線(xiàn)使用的。

輸出驅(qū)動(dòng)部份：從上圖中我們已看出，P0口的輸出是由兩個(gè)MOS管組成的推拉式結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，這兩個(gè)MOS管一次只能導(dǎo)通一個(gè)，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2就截止，當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，V1截止。

與門(mén)、與非門(mén)：這兩個(gè)單元電路的邏輯原理我們?cè)诘谒恼n數(shù)字及常用邏輯電路時(shí)已做過(guò)介紹，不明白的同學(xué)請(qǐng)回到第四節(jié)去看看。

前面我們已將P0口的各單元部件進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的講解，下面我們就來(lái)研究一下P0口做為I/O口及地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)使用時(shí)的具體工作過(guò)程。

1、作為I/O端口使用時(shí)的工作原理

P0口作為I/O端口使用時(shí)，多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)為0（低電平），看上圖中的線(xiàn)線(xiàn)部份，多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)同時(shí)與與門(mén)的一個(gè)輸入端是相接的，我們知道與門(mén)的邏輯特點(diǎn)是“全1出1，有0出0”那么控制信號(hào)是0的話(huà)，這時(shí)與門(mén)輸出的也是一個(gè)0（低電平），與讓的輸出是0，V1管就截止，在多路控制開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)是0（低電平）時(shí)，多路開(kāi)關(guān)是與鎖存器的Q非端相接的（即P0口作為I/O口線(xiàn)使用）。

P0口用作I/O口線(xiàn)，其由數(shù)據(jù)總線(xiàn)向引腳輸出（即輸出狀態(tài)Output）的工作過(guò)程：當(dāng)寫(xiě)鎖存器信號(hào)CP有效，數(shù)據(jù)總線(xiàn)的信號(hào)→鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出Q非端→多路開(kāi)關(guān)→V2管的柵極→V2的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)為低電平0時(shí)，與門(mén)輸出為低電平，V1管是截止的，所以作為輸出口時(shí)，P0是漏極開(kāi)路輸出，類(lèi)似于OC門(mén)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)上接電流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻。

下圖就是由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)向P0口輸出數(shù)據(jù)的流程圖（紅色箭頭）。

P0口用作I/O口線(xiàn)，其由引腳向內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)輸入（即輸入狀態(tài)Input）的工作過(guò)程：

數(shù)據(jù)輸入時(shí)（讀P0口）有兩種情況

1、讀引腳

讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)，讀引腳數(shù)時(shí)，讀引腳緩沖器打開(kāi)（即三態(tài)緩沖器的控制端要有效），通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)輸入，請(qǐng)看下圖（紅色簡(jiǎn)頭）。

2、讀鎖存器

通過(guò)打開(kāi)讀鎖存器三態(tài)緩沖器讀取鎖存器輸出端Q的狀態(tài)，請(qǐng)看下圖（紅色箭頭）：

在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來(lái)的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線(xiàn)輸出低電平后，鎖存器Q＝0，Q非＝1，場(chǎng)效應(yīng)管T2開(kāi)通，端口線(xiàn)呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)論端口線(xiàn)上外接的信號(hào)是低電乎還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線(xiàn)輸出高電平后，鎖存器Q＝1，Q非＝0，場(chǎng)效應(yīng)管T2截止。如外接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。為此，8031單片機(jī)在對(duì)端口P0一P3的輸入操作上，有如下約定：為此，8051單片機(jī)在對(duì)端口P0一P3的輸入操作上，有如下約定：凡屬于讀-修改-寫(xiě)方式的指令，從鎖存器讀入信號(hào)，其它指令則從端口引腳線(xiàn)上讀入信號(hào)。
讀-修改-寫(xiě)指令的特點(diǎn)是，從端口輸入(讀)信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)加以運(yùn)算(修改)后，再輸出(寫(xiě))到該端口上。下面是幾條讀--修改-寫(xiě)指令的例子。

這樣安排的原因在于讀-修改-寫(xiě)指令需要得到端口原輸出的狀態(tài)，修改后再輸出，讀鎖存器而不是讀引腳，可以避免因外部電路的原因而使原端口的狀態(tài)被讀錯(cuò)。

P0端口是8031單片機(jī)的總線(xiàn)口，分時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)D7一D0、低8位地址A7一AO，以及三態(tài)，用來(lái)接口存儲(chǔ)器、外部電路與外部設(shè)備。P0端口是使用最廣泛的I／O端口。

2、作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用時(shí)的工作原理

在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用。

這時(shí)多路開(kāi)關(guān)‘控制’信號(hào)為‘1’，‘與門(mén)’解鎖，‘與門(mén)’輸出信號(hào)電平由“地址/數(shù)據(jù)”線(xiàn)信號(hào)決定；多路開(kāi)關(guān)與反相器的輸出端相連，地址信號(hào)經(jīng)“地址/數(shù)據(jù)”線(xiàn)→反相器→V2場(chǎng)效應(yīng)管柵極→V2漏極輸出。

例如：控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為“0”時(shí)，與門(mén)輸出低電平，V1管截止；反相器輸出高電平，V2管導(dǎo)通，輸出引腳的地址信號(hào)為低電平。請(qǐng)看下圖（蘭色字體為電平）：

反之，控制信號(hào)為“1”、地址信號(hào)為“1”，“與門(mén)”輸出為高電平，V1管導(dǎo)通；反相器輸出低電平，V2管截止，輸出引腳的地址信號(hào)為高電平。請(qǐng)看下圖（蘭色字體為電平）：

可見(jiàn)，在輸出“地址/數(shù)據(jù)”信息時(shí)，V1、V2管是交替導(dǎo)通的，負(fù)載能力很強(qiáng)，可以直接與外設(shè)存儲(chǔ)器相連，無(wú)須增加總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。

P0口又作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)使用。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，P0口輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線(xiàn)，以便讀指令碼（輸入）。