单片机的引脚原理图及说明.pdf

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1、 单片机的引脚原理图及说明 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。再看图的右边，标号为 P0.X引脚的图标，也就是说 P0.X 引脚可以是 P0.0 到 P0.7 的任何一位，即在 P0 口有 8 个与上图相同的电路组成。下面，我们先就组成 P0 口的每个单元部份跟大家介绍一下：先看输入缓冲器：在 P0 口中，有两个三态的缓冲器，在学数字电路时，我们已知道，三态门有三个状态，即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），大家看上图

2、，上面一个是读锁存器的缓冲器，也就是说，要读取 D 锁存器输出端 Q 的数据，那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端（上图中标号为读锁存器端）有效。下面一个是读引脚的缓冲器，要读取P0.X 引脚上的数据，也要使标号为读引脚的这个三态缓冲器的控制端有效，引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线 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）。P0口用作 I/O 口线，其由引脚向内部数据总线输入（即输入状态 Input）的工作过程：数据输入时（读 P0 口）有两种情况 1、读引脚 读芯

3、片引脚上的数据，读引脚数时，读引脚缓冲器打开（即三态缓冲器的控制端要有效），通过内部数据总线输入，请看下图（红色简头）。2、读锁存器 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）：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

4、脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。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。下面是几条读-修改-写指令的例子。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。P0 端口是 8031 单片机的总线口，分时出

5、现数据 D7 一 D0、低 8 位地址 A7 一 AO，以及三态，用来接口存储器、外部电路与外部设备。P0 端口是使用最广泛的 IO 端口。2、作为地址/数据复用口使用时的工作原理 在访问外部存储器时 P0 口作为地址/数据复用口使用。这时多路开关控制信号为1，与门解锁，与门输出信号电平由“地址/数据”线信号决定；多路开关与反相器的输出端相连，地址信号经“地址/数据”线反相器V2 场效应管栅极V2 漏极输出。例如：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。请看下图（兰色字体为电平）：反之，控制信号为“1”、地址

6、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。P0 口又作为数据总线使用。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；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

7、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。请看下图 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。如果该指令是输入数据（读外部数据存储器或程序存储器），如 MOVX A，DPTR（将外部 RAM 某一存储单元内容通过 P0 口数据总线输入到累加器 A 中），则输入的数据仍通过读引脚三态缓冲器到内部总线，其过程类似于上图中的读取指令码流程图。通过以上的分析可以看出，当 P0 作为地址

8、/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，不能再作为通用的 I/O 端口。大家以后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 P1 口的结构最简单，用途也单一，仅作为数据输入/输出端口使用。输出的信息有锁存，输入有读引脚和读锁存器之分。P1 端口的一位结构见下图.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

9、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。由上图可见，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。P1 口的结构相对简单，前面我们已详细的分析了 P0 口，只要大家认真的分析了 P0 口的工作原理，P1 口我想大家都有能力去分析，这里我就不多论述了。单片机复位后，各个端口已

10、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，H 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:P2 端口的一位结构见下图：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

11、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：不能输出静态的数据；自

12、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，下面我们就不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

13、。由于 V2 漏极带有上拉电阻，可以提供一定的上拉电流，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

14、 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，还具有第二功能，P3 端口的一位结构见下图。由上图可见，P3 端口和 Pl 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。P3

15、口的特殊功能（即第二功能）：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、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 信叼的产生不用设置),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。端口的负载能力和输入输出操作: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。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，所以对这些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 A MoV 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 在这节课我们已将 51 单片机的 4 个 8 位的并行口跟大家一起来分析了一下，在后面的章节中我们将还会与外设一起来与大家学习。