51單片機的P0口工作原理詳細講解

三態(tài)門(mén)：三態(tài)門(mén)緩沖器：51單片機P0口輸入緩沖器

P0口的輸出驅動(dòng)：兩個(gè)MOS管組成的推拉式結構

P0口作為IO線(xiàn)輸入狀態(tài)時(shí)：①讀引腳;②讀鎖存器;

P0口作為地址/數據復用口

P0口作為IO線(xiàn)輸出時(shí)，只能輸出低電平、高阻態(tài)，需要外接上拉電阻，使高阻態(tài)變?yōu)檩敵龈唠娖?對比AVR單片機的推挽輸出結構)

一、P0端口的結構及工作原理

P0端口8位中的一位結構圖見(jiàn)下圖：

由上圖可見(jiàn)，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開(kāi)關(guān)、一個(gè)與非門(mén)、一個(gè)與門(mén)及場(chǎng)效應管驅動(dòng)電路構成。再看圖的右邊，標號為P0.X引腳的圖標，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。

下面，我們先就組成P0口的每個(gè)單元部份跟大家介紹一下：

先看輸入緩沖器：在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，在學(xué)數字電路時(shí)，我們已知道，三態(tài)門(mén)有三個(gè)狀態(tài)，即在其的輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種就是高阻狀態(tài)(或稱(chēng)為禁止狀態(tài))，大家看上圖，上面一個(gè)是讀鎖存器的緩沖器，也就是說(shuō)，要讀取D鎖存器輸出端Q的數據，那就得使讀鎖存器的這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端(上圖中標號為‘讀鎖存器’端)有效。下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數據，也要使標號為‘讀引腳’的這個(gè)三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數據才會(huì )傳輸到我們單片機的內部數據總線(xiàn)上。

D鎖存器：構成一個(gè)鎖存器，通常要用一個(gè)時(shí)序電路，時(shí)序的單元電路在學(xué)數字電路時(shí)我們已知道，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位的二進(jìn)制數(即具有保持功能)，在51單片機的32根I/O口線(xiàn)中都是用一個(gè)D觸發(fā)器來(lái)構成鎖存器的。大家看上圖中的D鎖存器，D端是數據輸入端，CP是控制端(也就是時(shí)序控制信號輸入端)，Q是輸出端，Q非是反向輸出端。

對于D觸發(fā)器來(lái)講，當D輸入端有一個(gè)輸入信號，如果這時(shí)控制端CP沒(méi)有信號(也就是時(shí)序脈沖沒(méi)有到來(lái))，這時(shí)輸入端D的數據是無(wú)法傳輸到輸出端Q及反向輸出端Q非的。如果時(shí)序控制端CP的時(shí)序脈沖一旦到了，這時(shí)D端輸入的數據就會(huì )傳輸到Q及Q非端。數據傳送過(guò)來(lái)后，當CP時(shí)序控制端的時(shí)序信號消失了，這時(shí)，輸出端還會(huì )保持著(zhù)上次輸入端D的數據(即把上次的數據鎖存起來(lái)了)。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號來(lái)了，這時(shí)D端的數據才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。

多路開(kāi)關(guān)：在51單片機中，當內部的存儲器夠用(也就是不需要外擴展存儲器時(shí)，這里講的存儲器包括數據存儲器及程序存儲器)時(shí)，P0口可以作為通用的輸入輸出端口(即I/O)使用，對于8031(內部沒(méi)有ROM)的單片機或者編寫(xiě)的程序超過(guò)了單片機內部的存儲器容量，需要外擴存儲器時(shí)，P0口就作為‘地址/數據’總線(xiàn)使用。那么這個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)就是用于選擇是做為普通I/O口使用還是作為‘數據/地址’總線(xiàn)使用的選擇開(kāi)關(guān)了。大家看上圖，當多路開(kāi)關(guān)與下面接通時(shí)，P0口是作為普通的I/O口使用的，當多路開(kāi)關(guān)是與上面接通時(shí)，P0口是作為‘地址/數據’總線(xiàn)使用的。

輸出驅動(dòng)部份：從上圖中我們已看出，P0口的輸出是由兩個(gè)MOS管組成的推拉式結構，也就是說(shuō)，這兩個(gè)MOS管一次只能導通一個(gè)，當V1導通時(shí)，V2就截止，當V2導通時(shí)，V1截止。

與門(mén)、與非門(mén)：這兩個(gè)單元電路的邏輯原理我們在第四課數字及常用邏輯電路時(shí)已做過(guò)介紹，不明白的同學(xué)請回到第四節去看看。

前面我們已將P0口的各單元部件進(jìn)行了一個(gè)詳細的講解，下面我們就來(lái)研究一下P0口做為I/O口及地址/數據總線(xiàn)使用時(shí)的具體工作過(guò)程。

1、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(kāi)關(guān)的控制信號為0(低電平)，看上圖中的線(xiàn)線(xiàn)部份，多路開(kāi)關(guān)的控制信號同時(shí)與與門(mén)的一個(gè)輸入端是相接的，我們知道與門(mén)的邏輯特點(diǎn)是“全1出1，有0出0”那么控制信號是0的話(huà)，這時(shí)與門(mén)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(kāi)關(guān)的控制信號是0(低電平)時(shí)，多路開(kāi)關(guān)是與鎖存器的Q非端相接的(即P0口作為I/O口線(xiàn)使用)。

P0口用作I/O口線(xiàn)，其由數據總線(xiàn)向引腳輸出(即輸出狀態(tài)Output)的工作過(guò)程：當寫(xiě)鎖存器信號CP 有效，數據總線(xiàn)的信號→鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出Q非端→多路開(kāi)關(guān)→V2管的柵極→V2的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當多路開(kāi)關(guān)的控制信號為低電平0時(shí)，與門(mén)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(kāi)路輸出，類(lèi)似于OC門(mén)，當驅動(dòng)上接電流負載時(shí)，需要外接上拉電阻。

下圖就是由內部數據總線(xiàn)向P0口輸出數據的流程圖(紅色箭頭)。