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一、P0端口的結構及工作原理
P0端口8位中的一位結構圖見下圖：
由上圖可見，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開關、一個與非門、一個與門及場效應管驅動電路構成。再看圖的右邊，標號為P0.X引腳的圖標，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個與上圖相同的電路組成。
下面，我們先就組成P0口的每個單元部份跟大家介紹一下：
先看輸入緩沖器：在P0口中，有兩個三態(tài)的緩沖器，在學數字電路時，我們已知道，三態(tài)門有三個狀態(tài)，即在其的輸出端可以是高電平、低電平，同時還有一種就是高阻狀態(tài)（或稱為禁止狀態(tài)），大家看上圖，上面一個是讀鎖存器的緩沖器，也就是說，要讀取D鎖存器輸出端Q的數據，那就得使讀鎖存器的這個緩沖器的三態(tài)控制端（上圖中標號為‘讀鎖存器’端）有效。下面一個是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數據，也要使標號為‘讀引腳’的這個三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數據才會傳輸到我們單片機的內部數據總線上。
D鎖存器：構成一個鎖存器，通常要用一個時序電路，時序的單元電路在學數字電路時我們已知道，一個觸發(fā)器可以保存一位的二進制數（即具有保持功能），在51單片機的32根I/O口線中都是用一個D觸發(fā)器來構成鎖存器的。大家看上圖中的D鎖存器，D端是數據輸入端，CP是控制端（也就是時序控制信號輸入端），Q是輸出端，Q非是反向輸出端。
對于D觸發(fā)器來講，當D輸入端有一個輸入信號，如果這時控制端CP沒有信號（也就是時序脈沖沒有到來），這時輸入端D的數據是無法傳輸到輸出端Q及反向輸出端Q非的。如果時序控制端CP的時序脈沖一旦到了，這時D端輸入的數據就會傳輸到Q及Q非端。數據傳送過來后，當CP時序控制端的時序信號消失了，這時，輸出端還會保持著上次輸入端D的數據（即把上次的數據鎖存起來了）。如果下一個時序控制脈沖信號來了，這時D端的數據才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。
多路開關：在51單片機中，當內部的存儲器夠用（也就是不需要外擴展存儲器時，這里講的存儲器包括數據存儲器及程序存儲器）時，P0口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對于8031（內部沒有ROM）的單片機或者編寫的程序超過了單片機內部的存儲器容量，需要外擴存儲器時，P0口就作為‘地址/數據’總線使用。那么這個多路選擇開關就是用于選擇是做為普通I/O口使用還是作為‘數據/地址’總線使用的選擇開關了。大家看上圖，當多路開關與下面接通時，P0口是作為普通的I/O口使用的，當多路開關是與上面接通時，P0口是作為‘地址/數據’總線使用的。
輸出驅動部份：從上圖中我們已看出，P0口的輸出是由兩個MOS管組成的推拉式結構，也就是說，這兩個MOS管一次只能導通一個，當V1導通時，V2就截止，當V2導通時，V1截止。
與門、與非門：這兩個單元電路的邏輯原理我們在第四課數字及常用邏輯電路時已做過介紹，不明白的同學請回到第四節(jié)去看看。
前面我們已將P0口的各單元部件進行了一個詳細的講解，下面我們就來研究一下P0口做為I/O口及地址/數據總線使用時的具體工作過程。
1、作為I/O端口使用時的工作原理
P0口作為I/O端口使用時，多路開關的控制信號為0（低電平），看上圖中的線線部份，多路開關的控制信號同時與與門的一個輸入端是相接的，我們知道與門的邏輯特點是“全1出1，有0出0”那么控制信號是0的話，這時與門輸出的也是一個0（低電平），與讓的輸出是0，V1管就截止，在多路控制開關的控制信號是0（低電平）時，多路開關是與鎖存器的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，其由數據總線向引腳輸出（即輸出狀態(tài)Output）的工作過程：當寫鎖存器信號CP 有效，數據總線的信號→鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出Q非端→多路開關→V2管的柵極→V2的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當多路開關的控制信號為低電平0時，與門輸出為低電平，V1管是截止的，所以作為輸出口時，P0是漏極開路輸出，類似于OC門，當驅動上接電流負載時，需要外接上拉電阻。
下圖就是由內部數據總線向P0口輸出數據的流程圖（紅色箭頭）。
P0口用作I/O口線，其由引腳向內部數據總線輸入（即輸入狀態(tài)Input）的工作過程：
數據輸入時（讀P0口）有兩種情況
1、讀引腳
讀芯片引腳上的數據，讀引腳數時，讀引腳緩沖器打開（即三態(tài)緩沖器的控制端要有效），通過內部數據總線輸入，請看下圖（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一般是一致的，但也有例外。例如，當從內部總線輸出低電平后，鎖存器Q＝0，Q非＝1，場效應管T2開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電乎還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當從內部總線輸出高電平后，鎖存器Q＝1，Q非＝0，場效應管T2截止。如外接引腳信號為低電平，從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。為此，8031單片機在對端口P0一P3的輸入操作上，有如下約定：為此，8051單片機在對端口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，其它指令則從端口引腳線上讀入信號。
讀-修改-寫指令的特點是，從端口輸入(讀)信號，在單片機內加以運算(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 | ;P0→立即數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。
P0端口是8031單片機的總線口，分時出現(xiàn)數據D7一D0、低8位地址A7一AO，以及三態(tài)，用來接口存儲器、外部電路與外部設備。P0端口是使用最廣泛的I／O端口。
2、作為地址/數據復用口使用時的工作原理
在訪問外部存儲器時P0口作為地址/數據復用口使用。
這時多路開關‘控制’信號為‘1’，‘與門’解鎖，‘與門’輸出信號電平由“地址/數據”線信號決定；多路開關與反相器的輸出端相連，地址信號經“地址/數據”線→反相器→V2場效應管柵極→V2漏極輸出。
例如：控制信號為1，地址信號為“0”時，與門輸出低電平，V1管截止；反相器輸出高電平，V2管導通，輸出引腳的地址信號為低電平。請看下圖（蘭色字體為電平）：
反之，控制信號為“1”、地址信號為“1”，“與門”輸出為高電平，V1管導通；反相器輸出低電平，V2管截止，輸出引腳的地址信號為高電平。請看下圖（蘭色字體為電平）：
可見，在輸出“地址/數據”信息時，V1、V2管是交替導通的，負載能力很強，可以直接與外設存儲器相連，無須增加總線驅動器。
P0口又作為數據總線使用。在訪問外部程序存儲器時，P0口輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿祿偩€，以便讀指令碼（輸入）。
在取指令期間，“控制”信號為“0”，V1管截止，多路開關也跟著轉向鎖存器反相輸出端Q非；CPU自動將0FFH（11111111，即向D鎖存器寫入一個高電平‘1’）寫入P0口鎖存器，使V2管截止，在讀引腳信號控制下，通過讀引腳三態(tài)門電路將指令碼讀到內部總線。請看下圖
如果該指令是輸出數據，如MOVX @DPTR，A（將累加器的內容通過P0口數據總線傳送到外部RAM中），則多路開關“控制”信號為‘1’，“與門”解鎖，與輸出地址信號的工作流程類似，數據據由“地址/數據”線→反相器→V2場效應管柵極→V2漏極輸出。
如果該指令是輸入數據（讀外部數據存儲器或程序存儲器），如MOVX A，@DPTR（將外部RAM某一存儲單元內容通過P0口數據總線輸入到累加器A中），則輸入的數據仍通過讀引腳三態(tài)緩沖器到內部總線，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P0作為地址/數據總線使用時，在讀指令碼或輸入數據前，CPU自動向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)設計時務必注意，即程序中不能再含有以P0口作為操作數（包含源操作數和目的操作數）的指令。
二、P1端口的結構及工作原理
P1口的結構最簡單，用途也單一，僅作為數據輸入/輸出端口使用。輸出的信息有鎖存，輸入有讀引腳和讀鎖存器之分。P1端口的一位結構見下圖.
由圖可見，P1端口與P0端口的主要差別在于，P1端口用內部上拉電阻R代替了P0端口的場效應管T1，并且輸出的信息僅來自內部總線。由內部總線輸出的數據經鎖存器反相和場效應管反相后，鎖存在端口線上，所以，P1端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口。
由上圖可見，要正確地從引腳上讀入外部信息，必須先使場效應管關斷，以便由外部輸入的信息確定引腳的狀態(tài)。為此，在作引腳讀入前，必須先對該端口寫入l。具有這種操作特點的輸入/輸出端口，稱為準雙向I/O口。8051單片機的P1、P2、P3都是準雙向口。P0端口由于輸出有三態(tài)功能，輸入前，端口線已處于高阻態(tài)，無需先寫入l后再作讀操作。
P1口的結構相對簡單，前面我們已詳細的分析了P0口，只要大家認真的分析了P0口的工作原理，P1口我想大家都有能力去分析，這里我就不多論述了。
單片機復位后，各個端口已自動地被寫入了1，此時，可直接作輸入操作。如果在應用端口的過程中，已向P1一P3端口線輸出過0，則再要輸入時，必須先寫1后再讀引腳，才能得到正確的信息。此外，隨輸入指令的不同，H端口也有讀鎖存器與讀引腳之分。
三、P2端口的結構及工作原理:
P2端口的一位結構見下圖：
由圖可見，P2端口在片內既有上拉電阻，又有切換開關MUX，所以P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特點。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當切換開關向下接通時，從內部總線輸出的一位數據經反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上；當多路開關向上時，輸出的一位地址信號也經反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上。
對于8031單片機必須外接程序存儲器才能構成應用電路（或者我們的應用電路擴展了外部存儲器），而P2端口就是用來周期性地輸出從外存中取指令的地址(高8位地址)，因此，P2端口的多路開關總是在進行切換，分時地輸出從內部總線來的數據和從地址信號線上來的地址。因此P2端口是動態(tài)的I/O端口。輸出數據雖被鎖存，但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。其實，這里輸出的數據往往也是一種地址，只不過是外部RAM的高8位地址。
在輸入功能方面，P2端口與P0和H端口相同，有讀引腳和讀鎖存器之分，并且P2端口也是準雙向口。
可見，P2端口的主要特點包括：
①不能輸出靜態(tài)的數據；
②自身輸出外部程序存儲器的高8位地址；
②執(zhí)行MOVX指令時，還輸出外部RAM的高位地址，故稱P2端口為動態(tài)地址端口。
即然P2口可以作為I/O口使用，也可以作為地址總線使用，下面我們就不分析下它的兩種工作狀態(tài)。
1、作為I/O端口使用時的工作過程
當沒有外部程序存儲器或雖然有外部數據存儲器，但容易不大于256B，即不需要高8位地址時（在這種情況下，不能通過數據地址寄存器DPTR讀寫外部數據存儲器），P2口可以I/O口使用。這時，“控制”信號為“0”，多路開關轉向鎖存器同相輸出端Q，輸出信號經內部總線→鎖存器同相輸出端Q→反相器→V2管柵極→V2管9漏極輸出。
由于V2漏極帶有上拉電阻，可以提供一定的上拉電流，負載能力約為8個TTL與非門；作為輸出口前，同樣需要向鎖存器寫入“1”，使反相器輸出低電平，V2管截止，即引腳懸空時為高電平，防止引腳被鉗位在低電平。讀引腳有效后，輸入信息經讀引腳三態(tài)門電路到內部數據總線。
2、作為地址總線使用時的工作過程
P2口作為地址總線時，“控制”信號為‘1’，多路開關車向地址線（即向上接通），地址信息經反相器→V2管柵極→漏極輸出。由于P2口輸出高8位地址，與P0口不同，無須分時使用，因此P2口上的地址信息（程序存儲器上的A15~A8）功數據地址寄存器高8位DPH保存時間長，無須鎖存。
四、P3端口的結構及工作原理
P3口是一個多功能口，它除了可以作為I/O口外，還具有第二功能，P3端口的一位結構見下圖。
由上圖可見，P3端口和Pl端口的結構相似，區(qū)別僅在于P3端口的各端口線有兩種功能選擇。當處于第一功能時，第二輸出功能線為1，此時，內部總線信號經鎖存器和場效應管輸入/輸出，其作用與P1端口作用相同，也是靜態(tài)準雙向I/O端口。當處于第二功能時，鎖存器輸出1，通過第二輸出功能線輸出特定的內含信號，在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號，還可以通過替代輸入功能讀入片內的特定第二功能信號。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故P3端口為靜態(tài)雙功能端口。
P3口的特殊功能（即第二功能）：
|
口線
|
第二功能
|
信號名稱
|
|
P3.0
|
RXD | 串行數據接收 |
|
P3.1
|
TXD | 串行數據發(fā)送 |
|
P3.2
|
INT0 | 外部中斷0申請 |
|
P3.3
|
INT1 | 外部中斷1申請 |
|
P3.4
|
T0 | 定時器/計數器0計數輸入 |
|
P3.5
|
T1 | 定時器/計數器1計數輸入 |
|
P3.6
|
WR | 外部RAM寫選通 |
|
P3.7
|
RD | 外部RAM讀選通 |
使P3端品各線處于第二功能的條件是:
1、串行I/O處于運行狀態(tài)(RXD,TXD);
2、打開了處部中斷(INT0,INT1);
3、定時器/計數器處于外部計數狀態(tài)(T0,T1)
4、執(zhí)行讀寫外部RAM的指令(RD,WR)
在應用中,如不設定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的產生不用設置),則P3端口線自動處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài)I／O端口的工作狀態(tài)。在更多的場合是根據應用的需要，把幾條端口線設置為第二功能，而另外幾條端口線處于第一功能運行狀態(tài)。在這種情況下，不宜對P3端口作字節(jié)操作，需采用位操作的形式。
端口的負載能力和輸入／輸出操作:
P0端口能驅動8個LSTTL負載。如需增加負載能力，可在P0總線上增加總線驅動器。P1，P2，P3端口各能驅動4個LSTTL負載。
前已述及，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，所以對這些端口寄存器的讀／寫就實現(xiàn)了信息從相應端口的輸入／輸出。例如：
MOV A， P1 ；把Pl端口線上的信息輸入到A
MoV P1， A ；把A的內容由P1端口輸出
MOV P3， #0FFH ；使P3端口線各位置l
在這節(jié)課我們已將51單片機的4個8位的并行口跟大家一起來分析了一下，在后面的章節(jié)中我們將還會與外設一起來與大家學習。
在學習本章時，如有不明之處，請到我們的學習論壇發(fā)貼交流：http://www.c51.cn/bbs
思考題：
1、請分析D鎖存器的工作原理？
2、詳細說明P0、P1、P2、P3口的工作原理？
3、P3口有哪些第二功能？實際應用中第二功能是怎樣分配的？
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