单片机IO口结构及工作原理.docx

1、单片机IO口结构及工作原理单片机IO口结构及工作原理一、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：由上图可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个与非门、一个与门及场效应管驱动电路构成。下面，先分析组成P0口的各个部分：先看输入缓冲器：在P0口中，有两个三态的缓冲器，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（或称为禁止状态），上面一个是读锁存器的缓冲器，下面一个是读引脚的缓冲器，读取P0.X引脚上的数据，要使这个三态缓冲器有效，引脚上的数据才会传输到内部数据总线上。D锁存器：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。D端是数据输

2、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。多路开关：在51单片机中，不需要外扩展存储器时，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。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。当多路开关与下面接通时，P0口是作为普通的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：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

3、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。 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

4、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

5、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

6、；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Q0，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

7、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

8、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

9、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

10、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：不能输出静

11、态的数据；自身输出外部程序存储器的高8位地址；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

12、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A15A8）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

13、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、

14、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IO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

15、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：MOV A， P1 ；把Pl端口线上的信息输入到AMoV P1， A ；把A的内容由P1端口输出MOV P3， #0FFH ；使P3端口线各位置l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 .P0作为地址数据总线时，和是一起工作的,构成推挽结构。高电平时，打开，截止；低电平时，截止，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.P0作为一般端

16、口时，就永远的截止，根据输出数据导通和1截止，导通时拉地，当然是输出低电平；截止时，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.其他端口、,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 MOVX A,DPTR ,MUX是切换到地址/数据总线上;而当普通MOV传

17、送指令操作P0口时,MUX是切换到内部总线上的.PS:Because Ports 1, 2, and 3 have fixed internal pullups, they are sometimes called “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.Port 0, on the other hand, is considered “true” bidirectional, because when configured as an input it floats. 端口0,从另外一方面来说,就被认为是真正

18、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470，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

19、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

20、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14.7k之间的电阻以外，同时上拉电阻的阻值就可以用

21、的特别大，用100k500K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2K20K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110K的电阻，阻值的

22、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110K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。