51單片機(jī)的P0口工作原理詳細(xì)講解

三態(tài)門：三態(tài)門緩沖器：51單片機(jī)P0口輸入緩沖器

P0口的輸出驅(qū)動(dòng)：兩個(gè)MOS管組成的推拉式結(jié)構(gòu)

P0口作為IO線輸入狀態(tài)時(shí)：①讀引腳;②讀鎖存器;

P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口

P0口作為IO線輸出時(shí)，只能輸出低電平、高阻態(tài)，需要外接上拉電阻，使高阻態(tài)變?yōu)檩敵龈唠娖?對(duì)比AVR單片機(jī)的推挽輸出結(jié)構(gòu))

一、P0端口的結(jié)構(gòu)及工作原理

P0端口8位中的一位結(jié)構(gòu)圖見下圖：

由上圖可見，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開關(guān)、一個(gè)與非門、一個(gè)與門及場效應(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，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口線中都是用一個(gè)D觸發(fā)器來構(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沒有信號(hào)(也就是時(shí)序脈沖沒有到來)，這時(shí)輸入端D的數(shù)據(jù)是無法傳輸?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)傳送過來后，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)鎖存起來了)。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號(hào)來了，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)部沒有ROM)的單片機(jī)或者編寫的程序超過了單片機(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)’總線使用。那么這個(gè)多路選擇開關(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’總線使用的選擇開關(guān)了。大家看上圖，當(dāng)多路開關(guān)與下面接通時(shí)，P0口是作為普通的I/O口使用的，當(dāng)多路開關(guān)是與上面接通時(shí)，P0口是作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線使用的。

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，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、與非門：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，下面我們就來研究一下P0口做為I/O口及地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)的具體工作過程。

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

P0口用作I/O口線，其由數(shù)據(jù)總線向引腳輸出(即輸出狀態(tài)Output)的工作過程：當(dāng)寫鎖存器信號(hào)CP 有效，數(shù)據(jù)總線的信號(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)多路開關(guān)的控制信號(hào)為低電平0時(shí)，與門輸出為低電平，V1管是截止的，所以作為輸出口時(shí)，P0是漏極開路輸出，類似于OC門，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，其由引腳向內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入(即輸入狀態(tài)Input)的工作過程：

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(即三態(tài)緩沖器的控制端要有效)，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入，請(qǐng)看下圖(紅色簡頭)。

2、讀鎖存器

通過打開讀鎖存器三態(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)部總線輸出低電平后，鎖存器Q=0，Q非=1，場效應(yīng)管T2開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無論端口線上外接的信號(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)部總線輸出高電平后，鎖存器Q=1，Q非=0，場效應(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上讀入信號(hào)。

讀-修改-寫指令的特點(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)到該端口上。下面是幾條讀--修改-寫指令的例子。

ANL P0,#立即數(shù);P0→立即數(shù)P0

ORL P0,A ;P0→AP0

INC P1 ;P1+1→P1

DEC P3 ;P3-1→P3

CPL P2 ;P2→P2

這樣安排的原因在于讀-修改-寫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)多路開關(guān)‘控制’信號(hào)為‘1’，‘與門’解鎖，‘與門’輸出信號(hào)電平由“地址/數(shù)據(jù)”線信號(hào)決定;多路開關(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→反相器→V2場效應(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”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，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，無須增加總線驅(qū)動(dòng)器。

P0口又作為數(shù)據(jù)總線使用。在訪問外部程序存儲(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，以便讀指令碼(輸入)。

在取指令期間，“控制”信號(hào)為“0”，V1管截止，多路開關(guān)也跟著轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端Q非;CPU自動(dòng)將0FFH(11111111，即向D鎖存器寫入一個(gè)高電平‘1’)寫入P0口鎖存器，使V2管截止，在讀引腳信號(hào)控制下，通過讀引腳三態(tài)門電路將指令碼讀到內(nèi)部總線。請(qǐng)看下圖

如果該指令是輸出數(shù)據(jù)，如MOVX @DPTR，A(將累加器的內(nèi)容通過P0口數(shù)據(jù)總線傳送到外部RAM中)，則多路開關(guān)“控制”信號(hào)為‘1’，“與門”解鎖，與輸出地址信號(hào)的工作流程類似，數(shù)據(jù)據(jù)由“地址/數(shù)據(jù)”線→反相器→V2場效應(yīng)管柵極→V2漏極輸出。

如果該指令是輸入數(shù)據(jù)(讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器)，如MOVX A，@DPTR(將外部RAM某一存儲(chǔ)單元內(nèi)容通過P0口數(shù)據(jù)總線輸入到累加器A中)，則輸入的數(shù)據(jù)仍通過讀引腳三態(tài)緩沖器到內(nèi)部總線，其過程類似于上圖中的讀取指令碼流程圖。

通過以上的分析可以看出，當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，在讀指令碼或輸入數(shù)據(jù)前，CPU自動(dòng)向P0口鎖存器寫入0FFH，破壞了P0口原來的狀態(tài)。因此，不能再作為通用的I/O端口。大家以后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意，即程序中不能再含有以P0口作為操作數(shù)(包含源操作數(shù)和目的操作數(shù))的指令。