单片机控制技术：并行I/O口结构与功能特点

以51系列单片机中的AT89S51单片机为例，该单片机有4个8位并行双向I／O口，即P0、P1、P2、P3，共32根I／O线，在单片机中，主要承担着和单片机外部设备打交道的任务。输出口用于连接输出设备，常用的输出设备有LED、数码管、蜂鸣器、继电器、液晶显示器等。输入口用于连接单片机和输入设备，常用的输入设备有按键、开关等。此外，P0口和P2口在并行扩展时还作为总线口使用。P3口还有第二功能。

这4个并行口P0、P1、P2、P3口既有相同部分，也有各自的特点和功能。其中，P1、P2和P3为准双向输入／输出口，P0口则为双向三态输入／输出口。图4-1是并行口的结构图。由图可见，每个I／O口都由1个8位数据锁存器和1个8位数据缓冲器组成。其中8位数据锁存器与P0、P1、P2、P3同名，属于21个特殊功能寄存器中的4个，用于存放需要输出的数据，8个数据缓冲器用于对端口引脚上输入数据进行缓冲，但不能锁存，因此各引脚上的数据必须保持到CPU把它读走。下面分别介绍每个端口的特点和操作。

图4-1　并行口结构图

1.P0口

P0口是使用广泛、最繁忙的端口。由图4-1（a）可见，P0口由锁存器、输入缓冲器、切换开关与相应控制电路、输出驱动电路组成，是双向、三态、数据地址分时使用的总线I／O口。若不使用外部存储器时，P0口可当作一个通用的I／O口使用；若要扩展外部存储器，这时P0口是地址／数据总线。

（1）作I／O口。

作I／O口使用时，多路开关向下，接（控制信号为0），场效应管T1截止。P0口作输出时，内部总线若为“1”，为“0”，T2栅极为“0”，T2截止，输出端P0.x为“1”；内部总线若为“0”，为“1”，T2栅极为“1”，T2导通，输出端P0.x为“0”。P0口作输入时，必须先执行P0＝0xFF指令，将锁存器置“1”（Q＝1，），T2截止，否则P0.x引脚就会被嵌位在低电平。输入信号经由引脚P0.x到读引脚三态门再到内部总线。

此外，在这里还要特别说明，单片机对P0～P3口的输入上还有如下约定：首先是读锁存器的内容，进行处理后再写到锁存器中，这种操作被称为“读—修改—写操作”。

（2）作地址／数据总线。

在访问外部扩展存储器时，多路开关向上（控制信号为“1”），与门锁定。若作地址／数据总线使用，地址信号为“1”，经非门，T2栅极为“0”，T2截止，引脚P0.x为“1”；若地址信号为“0”，经非门，T2栅极为“1”，T2导通，引脚P0.x为“0”。

在访问外部存储器时，P0口输出低8位地址后，变为数据总线，读指令码，在此期间，控制信号为“0”，多路开关向下，接端，CPU自动将FFH写入P0口锁存器，T2截止，读引脚通过三态门将指令码读到内部总线。

总之，P0口具有以下特点：

·8位漏极开路型双向三态输入／输出口。

·作为通用I／O口时，需外接上拉电阻。

·作为输入口使用时，首先需要将口线置为高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据。

·P0口可驱动8个LSTTL，其他端口只可以驱动4个LSTTL。

·在访问外部扩展存储器时，P0口身兼两职，既可作为地址总线低8位（A0～A7）使用，也可作为数据总线（D0～D7）使用，即它是分时复用的低8位地址总线和数据总线，作为地址／数据总线使用时，不需外接上拉电阻。

2.P1口

从图4-1（b）可以看出，P1口没有多路开关，P1口的T2管用内部上拉电阻代替。因此，P1口是准双向静态I／O口。和P0口一样，输入时有读锁存器和读引脚之分。在输入时（如果不是置位状态），必须选用P1＝0xFF，将口线置为高电平“1”，才能正确读入外部数据。

总之，P1口具有以下特点：

·P1口为准双向输入／输出口。

·P1口内部有上拉电阻，所以实现输出功能时，不需要外接上拉电阻。

·作为输入口使用时，首先需要将口线置为高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据。

·P1口可驱动4个LSTTL负载。

·进行在线编程（ISP）时，其中的P1.5当作MOSI用，P1.6当作MISO用，P1.7当作SCK用。(www.xing528.com)

3.P2口

从图4-1（c）可以看出，P2口有多路开关，驱动电路有内部上拉电阻，兼有P0口和P1口的特点，是个动态准双向口。

（1）作I／O口。

若单片机不扩展外部存储器，或扩展外部存储器但不超过256B时，P2口作为I／O口使用，这时多路开关向左，使用方法同P1口。

（2）作高8位地址。

若扩展外部存储器且超过256B时，P2口不能作I／O口，只能作执行MOVX指令16位地址的高8位，即A8～A15，这时多路开关向右，P2R0、P2R1表示16位地址，R0或R1内容为低8位地址，P2口为高8位地址。

总之，P2口具有以下特点：

·P2口为准双向输入／输出口。

·P2口内部有上拉电阻，所以实现输出功能时，不需要外接上拉电阻。

·作为输入口使用时，首先需要将口线置为高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据。

·P2口可驱动4个LSTTL。

·在访问外部扩展存储器时，可作为地址总线高8位（AB8～AB15）使用。

4.P3口

从图4-1（d）可以看出，P3口是个双功能静态双向I／O口。它除了有作为I／O口使用的第一功能外，还具有第二功能。P3口的第一功能和P1口一样。P3口的第二功能各管脚定义如表4-1所示。

表4-1　P3口引脚第二功能

为适应引脚的第二功能的需要，在结构上增加了第二功能控制逻辑，在真正的应用电路中，第二功能显得更为重要。由于第二功能信号有输入／输出两种情况，下面我们分别加以说明。

对于第二功能为输出的引脚，当作I／O口使用时，第二功能信号线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出口数据输出通路畅通无阻。而当作第二功能口线使用时，该位的锁存器置高电平，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。对于第二功能为输入的引脚，在口线上的输入通路增设了一个缓冲器，输入的第二功能信号即从这个缓冲器的输出端取得。而作为I／O口线输入端时，取自三态缓冲器的输出端。这样，不管是作为输入口使用还是作为第二功能信号输入，输出电路中的锁存器输出和第二功能输出信号线均应置“1”。

总之，P3口具有以下特点：

·P3口为准双向输入／输出口。

·作为输入口使用时，首先需要将口线置为高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据。

·P3口内部有上拉电阻，所以实现输出功能时不需要外接上拉电阻。

·P3口可驱动4个LSTTL。

·作第二功能使用。