51單片機(jī)的P0口工作原理詳細(xì)講解

51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8004單片機(jī)，后來(lái)隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8004單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是51系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。

51單片機(jī)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(chǎng)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(shuō)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。

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(guò)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(guò)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(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入，請(qǐng)看下圖（紅色簡(jiǎn)頭）。

2、讀鎖存器

通過(guò)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(lái)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(chǎng)效應(yīng)管T2開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)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(chǎng)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(lái)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。

作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用時(shí)的工作原理

在訪問(wèn)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(chǎng)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(guò)讀引腳三態(tài)緩沖器到內(nèi)部總線，其過(guò)程類似于上圖中的讀取指令碼流程圖。

通過(guò)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(lái)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。