详解80C51单片机的四种I/O口

在80C51单片机中有4个双向的8位I/O口P0~P3，在无片外存储器的系统中，这4个I/O口的每一位都可以作为准双向通用I/O使用。

在具有片外存储器的系统中，P0口作为地址线的低8位以及双向数据总线，P2口作为高8位的地址线。这4个I/O口除了可以按字节寻址外，还可以按位寻址。

P0口

下图给出了P0口的逻辑结构，它由一个锁存器，两个三态输入缓冲器，一个多路复用开关，一个与门，一个非门以及控制电路和驱动电路组成。

“锁存器，是数字电路中的一种具有记忆功能的逻辑元件。锁存，就是把信号暂存以维持某种电平状态，在数字电路中则可以记录二进制数字信号"0"和"1"。

只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。通常只有0和1两个值。

三态缓冲器(Three-state buffer)，又称为三态门、三态驱动器，其三态输出受到使能输出端的控制。

当使能输出有效时，器件实现正常逻辑状态输出(逻辑0、逻辑1)，当使能输入无效时，输出处于高阻状态，即等效于与所连的电路断开。”

P0口可以作为输入或输出口，在实际应用中通常作为地址/数据复用总线。

在访问外部存储器时，P0口才是真正的双向口。

当P0口输出地址/数据信息时，此时控制信号线为高电平，模拟开关将地址/数据线与场效应管VT2接通，同时与门输出有效，输出结果由地址/数据线信号决定。

与门输出的地址/数据信息去驱动VT1，同时通过非门反相信号后驱动VT2。VT1与与VT2为推拉结构，同一时刻，只有一个管能导通。若地址/数据线为1，则VT1导通，VT2截止，P0口输出高电平;反之输出低电平。

当数据从P0口输入时，读引脚使三态缓冲器打开，端口上的数据经三态缓冲器后送到内部的数据总线，完成读引脚。

当P0口作为通用I/O时，CPU向端口输出数据，此时控制信号为低电平，模拟开关与锁存器的反相端连接，写信号与锁存器的控制总线(时钟线)相连，于是内部数据总线上的数据经反相后出现在VT2端，再经VT2反相后输出到P0端口，输出的数据经过两次反相后相位不变。

由于VT2位漏极开路输出，为了完成VT2反相功能，此时需要外接上拉电阻。

当P0口作为输入时，由于信号加载在VT2上被送入三态缓冲器，若该接口此前刚锁存过数据0，则VT2是导通的，VT2的输出被钳位在0，此时输入的1无法读入，所以当P0口作为通用I/O时，在输入数据之前，必须先向端口写1，使VT2截止。不过当在访问外部程序存储器时，CPU会自动向P0口写1。

有时需要先将端口的数据写入，经过修改后再输出到端口，若此时P0口的负载正好是晶体管的基极，并且其输出为1，这必然导致该引脚为低，若此时读取引脚信号，则会将刚输出的1误读为0，为了避免这类误读的错误，于是单片机还提供了读锁存器的功能。

例如执行INC P0时，CPU先读P0锁存器中的数据，然后再执行加1操作，最后将结果送回P0口，这样单片机从结构上满足了读改写这类操作的需要。

P1口

P1口是一个准双向口，通常作为通用I/O使用，结构图如下。

由于在其输出端接有上拉电阻，故可以直接输出而不需要外接上拉电阻。

同P0口一样，当做输出口时，必须先向端口写1，使场效应管截止。同时，它可以被任何数字逻辑电路驱动，包括TTL电路，MOS电路和OC电路。

P2口

P2口位结构图如下。

P2口作为一个准双向口，其位结构与P0口相似，当系统外接片外存储器时，它输出高8位地址，此时开关在CPU的控制下接通地址信号。

同时它还可以作为通用I/O使用，此时开关接通锁存器的Q端。对于80C51单片机来说，P2口通常用作地址信号输出。

P3口

P3口位结构图如下。

P3口位双功能口，当P3口作为通用I/O口使用时，它为准双向口，且每位都可定义为输入或输出，其工作原理与P1口类似。

P3口还有第二功能，其引脚描述如下表：

对于输出而言，此时相应位的锁存器由CPU自动输出1，有效输出第二功能。

对于输入而言，无论该位是作为通用输入口还是第二功能输入口，相应的锁存器和选择输出功能端都应置1，该工作在开机或复位时CPU自动完成。

80C51系列单片机的并行I/O接口有以下应用特性：1)P0，P1，P2，P3作为通用双向I/O口使用时，输入操作是读引脚状态;输出操作是对口的锁存器的写入操作，锁存器状态立即反映到引脚上;

2)P1，P2，P3作为输出口时，由于电路内部带上拉电阻，因此无须外接上拉电阻。

3)P0，P1，P2，P3作为通用输入口时，必须使电路中的锁存器写入高电平1。

4)I/O口功能自动识别，无论是P0，P2的总线复用功能，还是P3口的第二功能复用，单片机会自动选择。

5)两种读端口的方式，包括端口锁存器的读、改，写操作和读引脚操作。在单片机中，有些指令是读端口锁存器的，如一些逻辑运算指令，置位/复位指令，条件转移指令以及将I/O口作为目的地址的操作指令;有些指令是读引脚的，如以I/O口作为源操作数的指令MOV A，P1。

6)I/O的驱动特性。由于P1，P2，P3口内部带上拉电阻，其引脚拉出电流能力弱，吸入电流能力强，也就是输出驱动能力弱，可驱动4个LS TTL输入;而P0口每个I/O可以驱动8个LS TTL输入。