51单片机I/O端口的结构和工作原理
目录
1.概述
2.P0端口
2.1 概述
2.2 P0端口用作输出端口的工作原理
2.3 P0端口用作输入端口的工作原理
2.4 P0端口用作地址/数据总线的工作原理
3.P1端口
3.1 概述
3.2 P1端口用作输出端口的工作原理
3.3 P1端口用作输入端口的工作原理
4.P2端口
4.1 概述
4.2 P2端口用作输出端口的工作原理
4.3 P2端口用作输入端口的工作原理
4.4 P2端口用作地址总线引脚的工作原理
5.P3端口
5.1 概述
5.2 P3端口用作输出端口的工作原理
5.3 P3端口用作输入端口的工作原理
5.4 当P3端口用作第二功能时
1.概述
单片机的I/O端口是输入信号和输出信号的通道。8051单片机有P0、P1、P2、P3四组I/O 端口，每组端口有8个引脚。
2.P0端口
2.1 概述
P0端口有P0.0～P0.7共8个引脚，这些引脚除了可用作输入引脚和输出引脚外，在外接存储器时，还可用作地址/数据总线引脚。P0端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图1所示。
图1 P0端口的内部电路结构图
2.2 P0端口用作输出端口的工作原理
下面讲解单片机需要从P0.x 引脚输出高电平“1”。如图1所示，单片机内部相关电路通过控制线送出“0（低电平）”到与门的一个输入端和电子开关的控制端，控制线上的“0”一方面使与门关闭（即与门的一端为“0”时，不管另一端输入何种信号，输出都为“0”），晶体管VT1栅极为“0”处于截止，地址/数据线送来的信号无法通过与门和晶体管VT1；控制线上的“0”另一方面控制电子开关，让电子开关与锁存器的
端连接。CPU 再从内部总线送高电平“1”到锁存器的D端，同时往锁存器的CL端送写锁存器信号，D端的“1”马上存入锁存器并从Q和
下面讲解单片机需要从P0.x 引脚输出高电平“0”。如图1所示，单片机内部相关电路通过控制线送出“0（低电平）”到与门的一个输入端和电子开关的控制端，控制线上的“0”一方面使与门关闭（即与门的一端为“0”时，不管另一端输入何种信号，输出都为“0”），晶体管VT1栅极为“0”处于截止，地址/数据线送来的信号无法通过与门和晶体管VT1；控制线上的“0”另一方面控制电子开关，让电子开关与锁存器的
总的来说，当单片机需要将P0端口用作输出端口时，内部CPU会送控制信号“0”到与门和电子开关，与门关闭（上晶体管VT1同时截止，将地址/数据线与输出电路隔开），电子开关将锁存器与输出电路连接，然后CPU通过内部总线往P0端口锁存器送数据和写锁存器信号，数据通过锁存器、电子开关和输出电路从P0端口的引脚输出。在P0端口用作输出端口时，内部输出电路的上晶体管处于截止（开路），下晶体管的漏极处于开路状态（称为晶体管开漏），因此需要在P0端口引脚接外部上拉电阻，否则无法可靠输出“1”或“0”。
2.3 P0端口用作输入端口的工作原理
如图1所示，当单片机需要将P0端口用作输入端口时，内部CPU会先往P0端口锁存器写入“1”（往锁存器D端送“1”，同时给CL端送写锁存器信号），让
,VT2截止，关闭输出电路。P0端口引脚输入的信号送到输入三态门的输入端，此时CPU再给三态门的控制端送读引脚控制信号，输入三态门打开，P0端口引脚输入的信号就可以通过三态门送到内部总线。
如果单片机的CPU需要读取P0端口锁存器的值（或称读取锁存器存储的数据），会送读锁存器控制信号到三态门（上方的三态门），三态门打开，P0锁存器的值（Q 值）经三态门送到内部总线。
2.4 P0端口用作地址/数据总线的工作原理
如图1所示， 如果要将P0端口用作地址/数据总线，单片机内部相关电路会通过控制线发出“1”，让与门打开，让电子开关和非门输出端连接。当内部地址/数据线为“1”时，“1”一方面通过与门送到 VT1的栅极，VT1导通，另一方面送到非门，反相后变为“0”，经电子开关送到VT2的栅极，VT2截止，VT1导通，P0端口引脚输出为“1”；当内部地址/数据线为“0”时，VT1截止，VT2导通，P0端口引脚输出“0”。
总的来说，当单片机需要将P0端口用作地址/数据总线时，CPU会给与门和电子开关的控制端送“1”，与门打开，将内部地址/数据线与输出电路的上晶体管 VT1接通，电子开关切断输出电路与锁存器的连接，同时将内部地址/数据线经非门反相后与输出电路的下晶体管VT1接通，这样VT1、VT2状态相反，让P0端口引脚能稳定输出数据或地址信号（1或0）。
3.P1端口
3.1 概述
P1端口有P1.0～P1.7共8个引脚，这些引脚可作输入引脚和输出引脚。P1端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2所示。P1端口的结构较P0端口简单很多，其输出电路采用了一个晶体管，在晶体管的漏极接了一只内部上拉电阻，所以在 P1端口引脚外部可以不接上拉电阻。
图2 P1端口的内部结构电路图
3.2 P1端口用作输出端口的工作原理
如图2所示，当需要将P1端口用作输出端口时，单片机内部相关电路除了会往给锁存器的D端送数据外，还会往锁存器CL端送写锁存器信号，内部总线送来的数据通过D端进入锁存器并从Q和
3.3 P1端口用作输入端口的工作原理
如图2所示，当需要将 P1端口用作输入端口时，单片机内部相关电路会先往 P1锁存器写“1”，让Q=1、
4.P2端口
4.1 概述
P2端口有P2.0～P2.7共8个引脚，这些引脚除了可用作输入引脚和输出引脚外，在外接存储器时，还可用作地址总线（高8位）引脚。P2端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图3所示。
图3 P2端口内部结构电路图
4.2 P2端口用作输出端口的工作原理
如图3所示，当需要将P2端口用作I/O端口时，单片机内部相关电路会送控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与P2锁存器的Q端连接。若要将P2端口用作输出端口，CPU会通过内部总线将数据送到锁存器的D端，同时给锁存器的CL端送写锁存器信号，D端数据存入锁存器并从Q端输出，再通过电子开关、非门和晶体管从P2端口引脚输出。
4.3 P2端口用作输入端口的工作原理
如图3所示，当需要将P2端口用作I/O端口时，单片机内部相关电路会送控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与P2锁存器的Q端连接。若要将P2端口用作输入端口，CPU会先往P2锁存器写“1”，让Q=1、
4.4 P2端口用作地址总线引脚的工作原理
如图3所示，如果要将 P2端口用作地址总线引脚，单片机内部相关电路会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与内部地址线接通，地址总线上的信号就可以通过电子开关、非门和晶体管后从P2端口引脚输出。
5.P3端口
5.1 概述
P3端口有P3.0～P3.7共8个引脚，P3端口除了可用作输入引脚和输出引脚外，还具有第二功能。P3端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图4所示。
图4 P3端口内部结构电路图
5.2 P3端口用作输出端口的工作原理
如图4所示，当需要将P3端口用作I/O端口时，单片机内部相关电路会送出“1”到与非门的一个输入端（第二功能输出端），打开与非门（与非门的特点是：一个输入端为“1”时，输出端与另一个输入端状态始终相反）。若要将P3端口用作输出端口，CPU给锁存器的CL端送写锁存器信号，内部总线送来的数据通过D端进入锁存器并从Q端输出，再通过与非门和晶体管两次反相后从P3端口引脚输出。
5.3 P3端口用作输入端口的工作原理
如图4所示，当需要将P3端口用作I/O端口时，单片机内部相关电路会送出“1”到与非门的一个输入端（第二功能输出端），打开与非门（与非门的特点是：一个输入端为“1”时，输出端与另一个输入端状态始终相反）。若要将P2端口用作输入端口，CPU会先往P3锁存器写“1”，让Q=1，与非门输出“0”，晶体管截止，关闭P3端口的输出电路，然后CPU往输入三态门控制端送一个读引脚控制信号，输入三态门打开，从P3端口引脚输入的信号经过输入缓冲器和输入三态门送到内部总线。
5.4 当P3端口用作第二功能时
P3端口的每个引脚都有第二功能，具体见下表。P0端口用作第二功能（又称复用功能）时，实际上也是在该端口输入或输出信号，只不过输入、输出的是一些特殊功能的信号。当单片机需要将 P3 端口用作第二功能输出信号（如
、
信号）时，CPU 会先往P3 锁存器写“1”, Q=1，它送到与非门的一个输入端，与非门打开，内部的第二功能输出信号送到与非门的另一个输入端，反相后输出去晶体管的栅极，经晶体管再次反相后从 P0端口引脚输出。当单片机需要将P3端口用作第二功能输入信号（如T0、T1信号）时，CPU也会往P3锁存器写“1”,Q=1，同时第二功能输出端也为“1”，与非门输出为“0”，晶体管截止，关闭输出电路，P0端口引脚输入的第二功能信号经输入缓冲器送往特定的电路（如T0、T1计数器）。
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