单片机 p0 3 单片机 P0口工作原理详细讲解|产品概述|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

单片机 P0口工作原理详细讲解

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，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上。

D锁存器：构成一个锁存器，通常要用一个时序电路，时序的单元电路在学数字电路时我们已知道，一个触发器可以保存一位的二进制数(即具有保持功能)，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。大家看上图中的D锁存器，D端是数据输入端，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。

对于D触发器来讲，当D输入端有一个输入信号，如果这时控制端CP没有信号(也就是时序脉冲没有到来)，这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端Q非的。如果时序控制端CP的时序脉冲一旦到了，这时D端输入的数据就会传输到Q及Q非端。数据传送过来后，当CP时序控制端的时序信号消失了，这时，输出端还会保持着上次输入端D的数据(即把上次的数据锁存起来了)。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时D端的数据才再次传送到Q端，从而改变Q端的状态。

多路开关：在51单片机中，当内部的存储器够用(也就是不需要外扩展存储器时，这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器)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。那么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。大家看上图，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：从上图中我们已看出，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。

与门、与非门：这两个单元电路的逻辑原理我们在第四课数字及常用逻辑电路时已做过介绍，不明白的同学请回到第四节去看看。

前面我们已将P0口的各单元部件进行了一个详细的讲解，下面我们就来研究一下P0口做为I/O口及地址/数据总线使用时的具体工作过程。

1、作为I/O端口使用时的工作原理

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)，看上图中的线线部份，多路开关的控制信号同时与与门的一个输入端是相接的，我们知道与门的逻辑特点是“全1出1，有0出0”那么控制信号是0的话，这时与门输出的也是一个0(低电平)，与让的输出是0，V1管就截止，在多路控制开关的控制信号是0(低电平)时，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)。

P0口用作I/O口线，其由数据总线向引脚输出(即输出状态Output)的工作过程：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。前面我们已讲了，当多路开关的控制信号为低电平0时，与门输出为低电平，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Q=0，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Q=1，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。

ANL P0,#立即数;P0→立即数P0

ORL P0,A ;P0→AP0

INC P1 ;P1+1→P1

DEC P3 ;P3-1→P3

CPL P2 ;P2→P2

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I/O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/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。

单片机中三极管的应用

三极管在数字电路里的开关特性，最常见的应用有 2 个：一个是控制应用，一个是驱动应用。所谓的控制就是如图 3-7 里边介绍的，我们可以通过单片机控制三极管的基极来间接控制后边的小灯的亮灭，用法大家基本熟悉了。还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制，比如我们的单片机是 5V 系统，它现在要跟一个 12V 的系统对接，如果 IO 直接接 12V电压就会烧坏单片机，所以我们加一个三极管，三极管的工作电压高于单片机的 IO 口电压，用 5V 的 IO 口来控制 12V 的电路，如图 3-8 所示。

图 3-8 三极管实现电压转换

图 3-8 中，当 IO 口输出高电平 5V 时，三极管导通，OUT 输出低电平 0V，当 IO 口输出低电平时，三极管截止，OUT 则由于上拉电阻 R2 的作用而输出 12V 的高电平，这样就实现了低电压控制高电压的工作原理。所谓的驱动，主要是指电流输出能力。我们再来看如图 3-9 中两个电路之间的对比。

图 3-9 LED 小灯控制方式对比

图 3-9 中上边的 LED 灯，和我们第二课讲过的 LED 灯是一样的，当 IO 口是高电平时，小灯熄灭，当 IO 口是低电平时，小灯点亮。那么下边的电路呢，按照这种推理，IO 口是高电平的时候，应该有电流流过并且点亮小灯，但实际上却并非这么简单。单片机主要是个控制器件，具备四两拨千斤的特点。就如同杠杆必须有一个支点一样，想要撑起整个地球必须有力量承受的支点。单片机的 IO 口可以输出一个高电平，但是他的输出电流却很有限，普通 IO 口输出高电平的时候，大概只有几十到几百 uA 的电流，达不到1mA，也就点不亮这个 LED 小灯或者是亮度很低，这个时候如果我们想用高电平点亮 LED，就可以用上三极管来处理了，我们板上的这种三极管型号，可以通过 500mA 的电流，有的三极管通过的电流还更大一些，如图 3-10 所示。

图 3-10 三极管驱动 LED 小灯

图 3-10 中，当 IO 口是高电平，三极管导通，因为三极管的电流放大作用，c 极电流就可以达到 mA 以上了，就可以成功点亮 LED 小灯。虽然我们用了 IO 口的低电平可以直接点亮 LED，但是单片机的 IO 口作为低电平，输入电流就可以很大吗？这个我想大家都能猜出来，当然不可以。单片机的 IO 口电流承受能力，不同型号不完全一样，就 STC89C52 来说，官方手册的 81 页有对电气特性的介绍，整个单片机的工作电流，不要超过 50mA，单个 IO 口总电流不要超过 6mA。即使一些增强型 51 的IO 口承受电流大一点，可以到 25mA，但是还要受到总电流 50mA 的限制。那我们来看电路图的 8 个 LED 小灯这部分电路，如图 3-11 所示。

图 3-11 LED 电路图（一）

这里我们要学会看电路图的一个知识点，电路图右侧所有的 LED 下侧的线最终都连到一根黑色的粗线上去了，大家注意，这个地方不是实际的完全连到一起，而是一种总线的画法，画了这种线以后，表示这是个总线结构。而所有的名字一样的节点是一一对应的连接到一起，其他名字不一样的，是不连在一起的。比如左侧的 DB0 和右侧的最右边的 LED2 小灯下边的DB0 是连在一起的，而和 DB1 等其他线不是连在一起的。那么我们把图 3-11 中现在需要讲解的这部分单独摘出来看，如图 3-12 所示。

图 3-12 LED 电路图（二）

现在我们通过 3-12 的电路图来计算一下，5V 的电压减去 LED 本身的压降，减掉三极管e 和 c 之间的压降，限流电阻用的是 330 欧，那么每条支路的电流大概是 8mA，那么 8 路 LED如果全部同时点亮的话电流总和就是 64mA。这样如果直接接到单片机的 IO 口，那单片机肯定是承受不了的，即使短时间可以承受，长时间工作就会不稳定，甚至导致单片机烧毁。有的同学会提出来可以加大限流电阻的方式来降低这个电流。比如改到 1K，那么电流不到 3mA，8 路总的电流就是 20mA 左右。首先，降低电流会导致 LED 小灯亮度变暗，小灯的亮度可能关系还不大，但因为我们同样的电路接了数码管，后边我们要讲数码管还要动态显示，如果数码管亮度不够的话，那视觉效果就会很差，所以降低电流的方法并不可取。其次，对于单片机来说，他主要是起到控制作用，电流输入和输出的能力相对较弱，P0 的 8 个口总电流也有一定限制，所以如果接一两个 LED 小灯观察，可以勉强直接用单片机的 IO 口来接，但是接多个小灯，从实际工程的角度去考虑，就不推荐直接接 IO 口了。那么我们如果要用单片机控制多个 LED 小灯该怎么办呢？除了三极管之外，其实还有一些驱动 IC，这些驱动 IC 可以作为单片机的缓冲器，仅仅是电流驱动缓冲，不起到任何逻辑控制的效果，比如我们板子上用的 74HC245 这个芯片，这个芯片在逻辑上起不到什么别的作用，就是当做电流缓冲器的，我们通过查看其数据手册，74HC245 稳定工作在 70mA 电流是没有问题的，比单片机的 8 个 IO 口大多了，所以我们可以把他接在小灯和 IO 口之间做缓冲，如图 3-13 所示。

图 3-13 74HC245 功能图

从图 3-13 我们来分析，其中 VCC 和 GND 就不用多说了，细心的同学会发现这里有个0.1uF 的去耦电容哦。74HC245 是个双向缓冲器，1 引脚 DIR 是方向引脚，当这个引脚接高电平的时候，右侧所有的 B 编号的电压都等于左侧 A 编号对应的电压。比如 A1 是高电平，那么 B1 就是高电平，A2 是低电平，B2 就是低电平等等。如果 DIR 引脚接低电平，得到的效果是左侧 A 编号的电压都会等于右侧 B 编号对应的电压。因为我们这个地方控制端是左侧接的是 P0 口，我们要求 B 等于 A 的状态，所以 1 脚我们直接接的 5V 电源，即高电平。图 3-13 中还有一排电阻 R10 到 R17 是上拉电阻，这个电阻的用法我们在后边介绍。还有最后一个使能引脚 19 脚 OE，叫做输出使能，这个引脚上边有一横，表明是低电平有效，当接了低电平后，74HC245 就会按照刚才上边说的起到双向缓冲器的作用，如果 OE接了高电平，那么无论 DIR 怎么接，A 和 B 的引脚是没有关系的，也就是 74HC245 功能不能实现出来。从下面的图 3-14 可以看出来，单片机的 P0 口和 74HC245 的 A 端是直接接起来的。这个地方，有个别同学有个疑问，就是我们明明在电源 VCC 那地方加了一个三极管驱动了，为何还要再加 245 驱动芯片呢。这里大家要理解一个道理，电路上从正极经过器件到地，首先必须有电流才能正常工作，电路中任何一个位置断开，都不会有电流，器件也就不会参与工作了。其次，和水流一个道理，从电源正极到负极的电流水管的粗细都要满足要求，任何一个位置的管子过细，都会出现瓶颈效应，电流在整个通路中细管处会受到限制而降低，所以在电路通路的每个位置上，都要保证通道足够畅通，这个 74HC245 的作用就是消除单片机IO 这一环节的瓶颈。