目錄

• 1.概述
• 2.P0端口
• 2.1 概述
• 2.2 P0端口用作輸出端口的工作原理
• 2.3 P0端口用作輸入端口的工作原理
• 2.4 P0端口用作地址/數據總線的工作原理
• 3.P1端口
• 3.1 概述
• 3.2 P1端口用作輸出端口的工作原理
• 3.3 P1端口用作輸入端口的工作原理
• 4.P2端口
• 4.1 概述
• 4.2 P2端口用作輸出端口的工作原理
• 4.3 P2端口用作輸入端口的工作原理
• 4.4 P2端口用作地址總線引腳的工作原理
• 5.P3端口
• 5.1 概述
• 5.2 P3端口用作輸出端口的工作原理
• 5.3 P3端口用作輸入端口的工作原理
• 5.4 當P3端口用作第二功能時

1.概述

單片機的I/O端口是輸入信號和輸出信號的通道。8051單片機有P0、P1、P2、P3四組I/O 端口，每組端口有8個引腳。

2.P0端口

2.1 概述

P0端口有P0.0～P0.7共8個引腳，這些引腳除了可用作輸入引腳和輸出引腳外，在外接存儲器時，還可用作地址/數據總線引腳。P0端口每個引腳的內部電路結構都相同，其內部電路結構如圖1所示。

圖1 P0端口的內部電路結構圖

2.2 P0端口用作輸出端口的工作原理

下面講解單片機需要從P0.x 引腳輸出高電平“1”。如圖1所示，單片機內部相關電路通過控制線送出“0(低電平)”到與門的一個輸入端和電子開關的控制端，控制線上的“0”一方面使與門關閉(即與門的一端為“0”時，不管另一端輸入何種信號，輸出都為“0”)，晶體管VT1柵極為“0”處于截止，地址/數據線送來的信號無法通過與門和晶體管VT1;控制線上的“0”另一方面控制電子開關，讓電子開關與鎖存器的端連接。CPU 再從內部總線送高電平“1”到鎖存器的D端，同時往鎖存器的CL端送寫鎖存器信號，D端的“1”馬上存入鎖存器并從Q和端輸出，D 端輸入“1”,Q 端輸出“1”,端則輸出“0”,端輸出“0”經電子開關送到晶體管VT2的柵極，VT2截止，由于VT1也處于截止，P0.x引腳處于懸浮狀態，因此需要在P0.x引腳上接上拉電阻，在VT2截止時，P0.x引腳輸出高電平。

下面講解單片機需要從P0.x 引腳輸出高電平“0”。如圖1所示，單片機內部相關電路通過控制線送出“0(低電平)”到與門的一個輸入端和電子開關的控制端，控制線上的“0”一方面使與門關閉(即與門的一端為“0”時，不管另一端輸入何種信號，輸出都為“0”)，晶體管VT1柵極為“0”處于截止，地址/數據線送來的信號無法通過與門和晶體管VT1;控制線上的“0”另一方面控制電子開關，讓電子開關與鎖存器的端連接。CPU 再從內部總線送高電平“0”到鎖存器的D端，同時往鎖存器的CL端送寫鎖存器信號，D端的“0”馬上存入鎖存器并從Q和端輸出，D 端輸入“0”,Q 端輸出“0”,端則輸出“1”,端輸出“1”經電子開關送到晶體管VT2的柵極，VT2導通，由于VT1處于截止，P0.x引腳處于懸浮狀態，因此需要在P0.x引腳上接上拉電阻，在VT2導通時，P0.x引腳輸出低電平。

總的來說，當單片機需要將P0端口用作輸出端口時，內部CPU會送控制信號“0”到與門和電子開關，與門關閉(上晶體管VT1同時截止，將地址/數據線與輸出電路隔開)，電子開關將鎖存器與輸出電路連接，然后CPU通過內部總線往P0端口鎖存器送數據和寫鎖存器信號，數據通過鎖存器、電子開關和輸出電路從P0端口的引腳輸出。在P0端口用作輸出端口時，內部輸出電路的上晶體管處于截止(開路)，下晶體管的漏極處于開路狀態(稱為晶體管開漏)，因此需要在P0端口引腳接外部上拉電阻，否則無法可靠輸出“1”或“0”。

2.3 P0端口用作輸入端口的工作原理

如圖1所示，當單片機需要將P0端口用作輸入端口時，內部CPU會先往P0端口鎖存器寫入“1”(往鎖存器D端送“1”，同時給CL端送寫鎖存器信號)，讓,VT2截止，關閉輸出電路。P0端口引腳輸入的信號送到輸入三態門的輸入端，此時CPU再給三態門的控制端送讀引腳控制信號，輸入三態門打開，P0端口引腳輸入的信號就可以通過三態門送到內部總線。

如果單片機的CPU需要讀取P0端口鎖存器的值(或稱讀取鎖存器存儲的數據)，會送讀鎖存器控制信號到三態門(上方的三態門)，三態門打開，P0鎖存器的值(Q 值)經三態門送到內部總線。

2.4 P0端口用作地址/數據總線的工作原理

如圖1所示， 如果要將P0端口用作地址/數據總線，單片機內部相關電路會通過控制線發出“1”，讓與門打開，讓電子開關和非門輸出端連接。當內部地址/數據線為“1”時，“1”一方面通過與門送到 VT1的柵極，VT1導通，另一方面送到非門，反相后變為“0”，經電子開關送到VT2的柵極，VT2截止，VT1導通，P0端口引腳輸出為“1”;當內部地址/數據線為“0”時，VT1截止，VT2導通，P0端口引腳輸出“0”。

總的來說，當單片機需要將P0端口用作地址/數據總線時，CPU會給與門和電子開關的控制端送“1”，與門打開，將內部地址/數據線與輸出電路的上晶體管 VT1接通，電子開關切斷輸出電路與鎖存器的連接，同時將內部地址/數據線經非門反相后與輸出電路的下晶體管VT1接通，這樣VT1、VT2狀態相反，讓P0端口引腳能穩定輸出數據或地址信號(1或0)。

3.P1端口

3.1 概述

P1端口有P1.0～P1.7共8個引腳，這些引腳可作輸入引腳和輸出引腳。P1端口每個引腳的內部電路結構都相同，其內部電路結構如圖2所示。P1端口的結構較P0端口簡單很多，其輸出電路采用了一個晶體管，在晶體管的漏極接了一只內部上拉電阻，所以在 P1端口引腳外部可以不接上拉電阻。

圖2 P1端口的內部結構電路圖

3.2 P1端口用作輸出端口的工作原理

如圖2所示，當需要將P1端口用作輸出端口時，單片機內部相關電路除了會往給鎖存器的D端送數據外，還會往鎖存器CL端送寫鎖存器信號，內部總線送來的數據通過D端進入鎖存器并從Q和端輸出，當D端輸入“1”，則端輸出“0”(Q端輸出“1”),端的“0”送到晶體管的柵極，晶體管截止，從P1端口引腳輸出“1”。 當D端輸入“0”，則端輸出“1”(Q端輸出“0”),端的“1”送到晶體管的柵極，晶體管導通，從P1端口引腳輸出“0”。

3.3 P1端口用作輸入端口的工作原理

如圖2所示，當需要將 P1端口用作輸入端口時，單片機內部相關電路會先往 P1鎖存器寫“1”，讓Q=1、,會使晶體管截止，關閉P1端口的輸出電路，然后CPU往輸入三態門控制端送一個讀引腳控制信號，輸入三態門打開，從 P1端口引腳輸入的信號經輸入三態門送到內部總線。

4.P2端口

4.1 概述

P2端口有P2.0～P2.7共8個引腳，這些引腳除了可用作輸入引腳和輸出引腳外，在外接存儲器時，還可用作地址總線(高8位)引腳。P2端口每個引腳的內部電路結構都相同，其內部電路結構如圖3所示。

圖3 P2端口內部結構電路圖

4.2 P2端口用作輸出端口的工作原理

如圖3所示，當需要將P2端口用作I/O端口時，單片機內部相關電路會送控制信號到電子開關的控制端，讓電子開關與P2鎖存器的Q端連接。若要將P2端口用作輸出端口，CPU會通過內部總線將數據送到鎖存器的D端，同時給鎖存器的CL端送寫鎖存器信號，D端數據存入鎖存器并從Q端輸出，再通過電子開關、非門和晶體管從P2端口引腳輸出。

4.3 P2端口用作輸入端口的工作原理

如圖3所示，當需要將P2端口用作I/O端口時，單片機內部相關電路會送控制信號到電子開關的控制端，讓電子開關與P2鎖存器的Q端連接。若要將P2端口用作輸入端口，CPU會先往P2鎖存器寫“1”，讓Q=1、,Q=1會使晶體管截止，關閉P2端口的輸出電路，然后CPU往輸入三態門控制端送一個讀引腳控制信號，輸入三態門打開，從P2端口引腳輸入的信號經輸入三態門送到內部總線。

4.4 P2端口用作地址總線引腳的工作原理

如圖3所示，如果要將 P2端口用作地址總線引腳，單片機內部相關電路會發出一個控制信號到電子開關的控制端，讓電子開關與內部地址線接通，地址總線上的信號就可以通過電子開關、非門和晶體管后從P2端口引腳輸出。

5.P3端口

5.1 概述

P3端口有P3.0～P3.7共8個引腳，P3端口除了可用作輸入引腳和輸出引腳外，還具有第二功能。P3端口每個引腳的內部電路結構都相同，其內部電路結構如圖4所示。

圖4 P3端口內部結構電路圖

5.2 P3端口用作輸出端口的工作原理

如圖4所示，當需要將P3端口用作I/O端口時，單片機內部相關電路會送出“1”到與非門的一個輸入端(第二功能輸出端)，打開與非門(與非門的特點是：一個輸入端為“1”時，輸出端與另一個輸入端狀態始終相反)。若要將P3端口用作輸出端口，CPU給鎖存器的CL端送寫鎖存器信號，內部總線送來的數據通過D端進入鎖存器并從Q端輸出，再通過與非門和晶體管兩次反相后從P3端口引腳輸出。

5.3 P3端口用作輸入端口的工作原理

如圖4所示，當需要將P3端口用作I/O端口時，單片機內部相關電路會送出“1”到與非門的一個輸入端(第二功能輸出端)，打開與非門(與非門的特點是：一個輸入端為“1”時，輸出端與另一個輸入端狀態始終相反)。若要將P2端口用作輸入端口，CPU會先往P3鎖存器寫“1”，讓Q=1，與非門輸出“0”，晶體管截止，關閉P3端口的輸出電路，然后CPU往輸入三態門控制端送一個讀引腳控制信號，輸入三態門打開，從P3端口引腳輸入的信號經過輸入緩沖器和輸入三態門送到內部總線。

5.4 當P3端口用作第二功能時

P3端口的每個引腳都有第二功能，具體見下表。P0端口用作第二功能(又稱復用功能)時，實際上也是在該端口輸入或輸出信號，只不過輸入、輸出的是一些特殊功能的信號。當單片機需要將 P3 端口用作第二功能輸出信號(如、信號)時，CPU 會先往P3 鎖存器寫“1”, Q=1，它送到與非門的一個輸入端，與非門打開，內部的第二功能輸出信號送到與非門的另一個輸入端，反相后輸出去晶體管的柵極，經晶體管再次反相后從 P0端口引腳輸出。當單片機需要將P3端口用作第二功能輸入信號(如T0、T1信號)時，CPU也會往P3鎖存器寫“1”,Q=1，同時第二功能輸出端也為“1”，與非門輸出為“0”，晶體管截止，關閉輸出電路，P0端口引腳輸入的第二功能信號經輸入緩沖器送往特定的電路(如T0、T1計數器)。