8051单片机I/O端口结构与原理

1. P1端口

图1.1 P1.X的内部结构示意图

P1口是一个8位双向并行I/O口，每位的内部结构如图1.1所示，P1口由8组这样的结构组成。

1.1 P1口作为输出口

当CPU执行写端口指令时,在指令执行期间，“写锁存器”脉冲信号出现，数据经内部总线送入锁存器。
向P1.X写“0”时（例如P1.0 = 0）时，数据“0”经内部总线送入锁存器，锁存器的反相输出端Q‾\overline{\text{Q}}Q为“1”，场效应管VT导通，引脚与GND连接，引脚向外部电路输出低电平，即“0”，如图1.2所示。

图1.2 向P1.X写“0”

向P1.X写“1”时（例如P1.0 = 1）时, 数据“1”经内部总线送入锁存器，锁存器的反相输出端Q‾\overline{\text{Q}}Q为“0”，场效应管VT截止，引脚与GND断开连接，引脚利用内部上拉电阻向外部电路输出高电平，即“1”,如图1.3所示。

图1.3向P1.X 写“1”

1.2 P1口作为输入口

当CPU执行读端口指令时（例如a = P1.0）,内部硬件自动使“读引脚”信号有效，输入缓冲器2导通，引脚上的数据经输入缓冲器2送入内部总线，此为读引脚，如图1.4所示。在读引脚之前，需先向P1.X写“1”，使锁存器反相输出端Q‾\overline{\text{Q}}Q为0，场效应管VT截止，断开引脚与GND的连接，否则读到的引脚状态都为低电平，即“0”，从而引起误读。如果引脚没有连接外部电路（即悬空），由于引脚连接内部上拉电阻，此时读到的引脚状态为高电平，即“1”。

图1.4 读P1.X引脚

当CPU执行“读-修改-写”端口指令时（即将读到的值进行修改后再写回，例如 P1.0 = ～ P1.0），在执行其中的读操作期间，内部硬件自动使“读锁存器”信号有效，输入缓冲器1导通，锁存器输出端Q上的数据经输入缓冲器1送入内部总线，此为读锁存器，如图1.5所示。

图1.5 读P1.X锁存器

读引脚还是读锁存器，CPU会根据具体执行的指令自行进行判断。

2. P2端口

图2.1 P2.X的内部结构示意图

P2口是一个8位双向并行I/O口，每位的内部结构如图2.1所示,P2口由8组这样的结构组成。P2口有两种用途：通用I/O口、地址总线。P2口作为通用I/0口使用时，硬件自动使“控制”线为“0”，使多路开关MUX拨向锁存器的输出端Q。

2.1 P2口作为输出口

当CPU执行写端口指令时,在指令执行期间，“写锁存器”脉冲信号出现，数据经内部总线送入锁存器。
向P2.X写“0”时（例如P2.0 = 0），数据“0”经内部总线送入锁存器，锁存器的输出端Q为“0”，经非门后输出为“1”，场效应管VT导通，引脚与GND连接，引脚向外部电路输出低电平，即“0”，如图2.2所示。

图2.2 向P2.X写“0”

向P2.X写“1”时（例如P2.0 = 1），数据“1”经内部总线送入锁存器，锁存器的输出端Q为“1”，经非门后输出为“0”,场效应管VT截止，断开引脚与GND的连接，引脚利用内部上拉电阻向外部电路输出高电平，即“1”，如图2.3所示。

图2.3 向P2.X写“1”

2.2 P2口作为输入口

P2口作为输入口使用时工作方式与P1口类似。

2.3 P2口作为地址总线

单片机芯片外接存储器时，P2口引脚与存储器相连。P2口作为地址总线，在CPU访问外部存储器时用于输出高8位地址信息。
CPU执行访问外部存储器的指令时，内部硬件自动使“控制”线为“1”，使多路开关MUX拨向地址线，如图2.4所示。当“地址”线输出“0”时，引脚输出“0”；当“地址”线输出“1”时，引脚输出“1”。

图2.4 P2口作为地址总线

3. P3端口

图3.1 P3.X的内部结构示意图

P3口是一个8位双向并行I/O口，每位的内部结构如图3.1所示，输入缓冲器3一直处于导通状态，P3口由8组这样的结构组成。P3口有两种用途：通用I/O口、第二功能。

3.1 P3口作为通用I/0口

P3口作为通用I/0口使用时，硬件自动使“第二功能输出”为“1”，与非门的输出状态完全由锁存器输出端Q的状态决定，Q为“0”时，与非门输出为“1”，Q为“1”时，与非门输出为“0”。P3口作为通用I/0口使用时工作方式与P1口类似。

3.2 P3口作为第二功能

P3口的每位都有对应的第二功能，如表3.1所示，有些位作为第二功能输出，比如P3.1作为串行输出TXD,有些位作为第二功能输入，比如P3.0作为串行输入RXD。

表3.1 P3口的第二功能

（1）作为第二功能输出
P3.X作为第二功能输出使用时，需先向其写“1”，使锁存器的输出端Q为“1”，这样与非门的输出状态完全由“第二功能输出”的状态决定，“第二功能输出”为“0”时，与非门输出为“1”，“第二功能输出”为“1”时，与非门输出为“0”。
例如：P3.1作为第二功能TXD，当TXD输出“0”时，与非门输出“1”，使场效应管VT导通，引脚与GND连接，引脚向外部电路输出低电平，即“0”；当TXD输出“1”时，与非门输出“0”，场效应管VT截止，引脚与GND断开连接，引脚利用内部上拉电阻向外部电路输出高电平，即“1”，如图3.2所示。

图3.2 P3.1的第二功能TXD

（2）作为第二功能输入
P3.X作为第二功能输入使用时，需先向其写“1”，使锁存器的输出端Q为“1”，与非门输出为“0”,场
效应管VT截止，断开引脚与GND的连接，否则“第二功能输入”都为“0”。
例如：P3.0作为第二功能RXD，外部电路通过引脚输入“0”时，RXD为“0”；外部电路通过引脚输入“1时，RXD为“1”，如图3.3所示。

图3.3 P3.0的第二功能RXD

4. P0端口

图4.1 P0.X的内部结构示意图
P0口是一个8位双向并行I/O口，每位的结构如图4.1所示，即P0口由8组这样的结构组成。P0口有两种用途：通用I/O口；地址/数据总线。P0口作为通用I/0口使用时，硬件自动使“控制”线为“0”，使多路开关MUX拨向锁存器的反相输出端 Q‾\overline{\text{Q}}Q，同时与门被锁定输出“0”，场效应管VT0截止。

4.1 P0口作为输出口

P0口作为输出口时，属于漏级开路输出，引脚只能输出低电平或高阻状态。当VT1导通时，引脚与GND连接，引脚输出低电平；当VT1截止时，引脚与GND断开连接，处于高阻状态，因此P0口要输出高电平，需要在外部电路加上拉电阻。
当CPU执行写指令时,在指令执行期间，“写锁存器”脉冲信号出现，数据经内部总线送入锁存器。向P0.X写 “0”时（例如P0.0 = 0），数据“0”经内部总线送入锁存器，锁存器的反相输出端Q‾\overline{\text{Q}}Q为“1”，场效应管VT1导通，引脚与GND连接，引脚向外部电路输出低电平，即“0”，如图4.2所示。

图4.2 向P0.X写“0”
向P0.X写 “1”时（例如P0.0 = 1），数据“1”经内部总线送入锁存器，锁存器的反相输出端 Q‾\overline{\text{Q}}Q为“0”，场效应管VT1截止，引脚与GND断开连接，由于外部电路加了上拉电阻，引脚利用外部上拉电阻输出高电平，即“1”，如图4.3所示。
图4.3 向P0.X写“1”

4.2 P0口作为输入口

当CPU执行读端口指令时（例如a = P0.0）,内部硬件自动使“读引脚”信号有效，输入缓冲器2导通，引脚上的数据经输入缓冲器2送入内部总线，此为读引脚，如图4.4所示。在读引脚之前，需先写“1”，使锁存器反相输出端Q‾\overline{\text{Q}}Q为0，场效应管VT截止，断开引脚与GND的连接，否则读到的引脚状态都为低电平，即“0”，从而引起误读。

图4.4 读P0.X引脚

当CPU执行“读-修改-写”端口指令时（即将读到的值进行修改后再写回，例如 P0.0 = ～ P0.0），在执行其中的读操作期间，内部硬件自动使“读锁存器”信号有效，输入缓冲器1导通，锁存器输出端Q上的数据经输入缓冲器1送入内部总线，此为读锁存器，如图4.5所示。

图4.5读P0.X锁存器

4.2 P0口作为地址/数据总线

单片机芯片外接存储器时，将P0口引脚与存储器连接。P0口作为地址/数据总线，在CPU访问外部存储器时用于输出数据信息以及低8位地址信息。
CPU执行访问外部存储器的指令时，内部硬件自动使“控制”线为“1”，多路开关MUX拨向非门输出端。上下两个场效应管VT0、VT1处于反向，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。
当“地址/数据”输出“0”时，与门输出“0”，场效应管VT0截止，非门输出“1”，场效应管VT1导通，引脚与GND连接，引脚输出低电平，即“0”，如图4.6所示。

图4.6 “地址/数据”输出“0”

当“地址/数据”输出“1”时，与门输出“1”，场效应管VT0导通，非门输出“0”，场效应管VT1截止，引脚与GND断开连接，引脚输出高电平，即“1”，如图4.7所示。

图1.6 “地址/数据”输出“1”

CPU写外部存储器时，P0口先输出低8位地址信息（高8位地址信息由P2口输出），再输出数据信息。CPU读外部存储器时，P0口输出低8位地址信息后（高8位地址信息由P2口输出），P0口作为输入口使用，从引脚处读取外部储存器输出的数据信息。