单片机IO口结构及工作原理.pdf

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1、单片机 IO 口结构及工作原理一、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。下面,先分析组成 P0 口的各个部分:先瞧输入缓冲器:在 P0 口中,有两个三态的缓冲器,在其的输出端可以就是高电平、低电平,同时还有一种就就是高阻状态(或称为禁止状态),上面一个就是读锁存器的缓冲器,下面一个就是读引脚的缓冲器,读取 P0、X 引脚上的数据,要使这个三态缓冲器有效,引脚上的数据才会传输到内部数据总线上。D 锁存器:在 51 单片机的 32 根 I/O 口线中都就是用一个D 触发器来

2、构成锁存器的。D 端就是数据输入端,CP 就是控制端(也就就是时序控制信号输入端),Q 就是输出端,Q 非就是反向输出端。多路开关:在 51 单片机中,不需要外扩展存储器时,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。这个多路选择开关就就是用于选择就是做为普通I/O 口使用还就是作为 数据/地址总线使用的选择开关了。当多路开关与下面接通时,P0 口就是作为普通的I/O口使用的,当多路开关就是与上面接通时,P0 口就是作为 地址/数据 总线使用的

3、。输出驱动部份:P0 口的输出就是由两个MOS 管组成的推拉式结构,也就就是说,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。单片机 IO 口结构及工作原理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),V1 管截止,多路开关就是与锁存器的Q 非端相接的(即 P0 口作为 I/O 口线使用)。作为地址/数据线使用时,多路开关的控制信号为1,V1 管由地址/数据线决定,多路开关与地址/数据线连接。输出过程:1、I/O 输出工作过程: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

4、关 V2 管的栅极 V2 的漏极到输出端 P0、X。这时多路开关的控制信号为低电平0,V1 管就是截止的,所以作为输出口时,P0 就是漏极开路输出,类似于 OC 门,当驱动上接电流负载时,需要外接上拉电阻。下图就就是由内部数据总线向P0 口输出数据的流程图(红色箭头)。2、地址输出过程控制信号为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。文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L

5、9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5

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11、码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3单片机 IO 口结构及工作原理反之,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。请瞧下图(兰色字体为电平):可见,在输出“地址/数据”信息时,V1、V2 管就是交替导通的,负

12、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。3、作为数据总线的输出过程如果该指令就是输出数据,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,与输出地址文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码

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19、J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3单片机 IO 口结构及工作原理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。输入过程:1、I/O 读引脚工作过程:读芯片引脚上的数据时,读引脚缓冲器打开,通过内部数据总线输入,请瞧下图(红色简头)。2、I/O 读锁存器工作过程: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,请瞧下图(红色箭头):文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M

20、3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8

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26、8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3单片机 IO 口结构及工作原理3、地址/数据时读指令码与数据过程作为数据总线使用。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

27、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,这个过程与I/O 读引脚过程就是一样的。在输入状态下,从锁存器与从引脚上读来的信号一般就是一致的,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就是低电乎还就是高电平,从引脚读入单片机的信号都就是低电平,因而不能

28、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-写指令的特点就是,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。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,读锁存器而不就是读引

29、脚,可以避免因外部电路的原因而使原端口的状态被读错。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。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(包含源操作数与目的操作数)的指令。二、P1 端口的结构及工作原理文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3

30、J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M

31、3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8

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33、8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9

34、H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E

35、9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8

36、E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3单片机 IO 口结构及工作原理由图可见,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器反相与场效应管反相后,锁存在端口线上,所以,P1 端口就是具有输出锁存的静态口。要正确地从引脚上读入外部信息,必须先使场效应管关

37、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 都就是准双向口。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。单片机复位后,各个端口已自动地被写入了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,P1 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:文档编码:CP5L9C7U8F8 H

38、P10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8

39、HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8

40、 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F

41、8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8

42、F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U

43、8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7

44、U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3单片机 IO 口结构及工作原理由图可见,P2 端口在片内既有上拉电阻,又有切换开关 MUX,所以 P2 端口

45、在功能上兼有 P0 端口与 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与场效应管反相后,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与场效应管反相后,输出在端口引脚线上。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 端口的多路开关总就是在进行切换,分时地输出从内部总线来的数据与从地址信号线上来的地址。因此P2 端口就是动态的 I/O 端口。输出数据虽被锁存,但不就是稳定地出现在端口线

46、上。其实,这里输出的数据往往也就是一种地址,只不过就是外部 RAM 的高 8 位地址。在输入功能方面,P2 端口与 P0 与 H 端口相同,有读引脚与读锁存器之分,并且P2 端口也就是准双向口。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(

47、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。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文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5

48、L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP

49、5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:C

50、P5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码:CP5L9C7U8F8 HP10X10J3A2Z10 ZF8E9H8M3J3文档编码: