基于proteus的51单片机仿真实例十、51单片机的P0口的工作原理

单片机系统功能实现的最基本和最主要方式是：检测I/O端口输入的各种数据、控制I/O端口输出各种数据。

单片机系统的工作过程通常是：外部电路的运行情况通过I/O端口输入到单片机，单片机程序读取输入的数据并进行分析后，根据不同情况控制I/O端口输出不同的数据，从而实现控制相关外围电路执行相应操作的功能。

所以，学习单片机的第一步就是学会如何让单片机的I/O口实现输入和输出功能。

本例实现用单片机的P0口控制8个LED点亮和熄灭，实现流水灯的效果。

通过这个实例，了解以下知识：

硬件电路：LED的工作原理及控制电路；

程序设计：编写程序，控制单片机I/O口输出电平的高低。

 

1、51单片机的引脚（端口）

单片机是通过它的一个个引脚来实现对外部事件的检测和控制的，所以拿到一个单片机时，首先应对它的管脚进行分析。只有弄清楚一个单片机的各个管脚的功能和作用，才能够实现外围电路的设计和程序设计。

 

2、51单片机管脚的分类和功能介绍
AT89C51单片机共有40个引脚，按照各自功能可以分为三类：电源和时钟引脚、系统控制引脚、输入/输出引脚（也即I/O口）。下面分别介绍：

1）电源和时钟引脚：这些引脚主要为单片机系统提供工作电源和时钟信号，包括电源和地引脚VCC（40脚）、GND（20脚），时钟信号输入输出引脚XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）

2）系统控制引脚：系统控制改制引脚有：PSEN（29脚） ，EA/VPP（31脚）， ALE（30脚） ，RST（9脚），功能分别是：

PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效,以实现外部ROM单元的读操作。

EA/VPP 访问程序序存储器控制信号。

ALE 地址锁存控制信号。

RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作。                                               

   

3）输入/输出引脚（I/O口）

AT89S52单片机有4个8位的I/O口，分别是P0（P0.0~P0.7，引脚39-32），P1（P1.0~P1.7，引脚1-8），P2（P2.0~P2.7，引脚21-28），P3（P3.0~P3.7，引脚10-17）。这4个I/O端口的结构功能各不相同，本例中用到的是P0口，我们先讲解P0口的工作原理，另外3个I/O端口的工作原理将在后面逐步了解。

P0口有三个功能： 
外部扩展存储器时,当做数据总线

外部扩展存储器时,当作地址总线

不扩展时,可做一般的I/O使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 

在平时的应用中，外扩存储器的情况不是很多，所以我们这里着重了解P0口作为I/O口时的工作原理。
 
3、P0口的结构和工作原理

P0口有8位，分别对应P0-P7这8个引脚，下图是其中一个引脚的内部结构图。从图中可以看出，该引脚内部包括1个输出锁存器、2个三态缓冲器、1个输出驱动电路1个输出控制端。

输出驱动电路有两个场效应管组成，其工作状态受输出端的控制。

输出控制端由1个与门、一个反相器和一个多路转换开关组成。



我们先来分析组成P0口的每个单元部份：
输入缓冲器：在P0口中，有两个三态的缓冲器，所谓的三态，是指在缓冲器的输出端可以输出高电平、低电平、高阻态（禁止状态）这三种状态，在上图中，在读锁存器端口，要读取D锁存器输出端Q的数据，必须使使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端（图中标号为‘读锁存器’端）有效。而在读引脚端口，要读取P0.i引脚上的数据，也要使标号为‘读引脚’的这个三态缓冲器的控制端有效，这样引脚上的数据才会传输到单片机的内部数据总线上。
D锁存器：构成一个锁存器，通常要用一个时序电路，我们知道，一个触发器可以保存一位的二进制数（即具有保持功能），在51单片机的32根I/O口线中都是用一个D触发器来构成锁存器的。上图中的D锁存器，D端是数据输入端，CL是控制端（即时序控制信号输入端），Q是输出端，/Q是反向输出端。 

对于D触发器来讲，当D输入端有一个输入信号，如果这时控制端CL没有信号（也就是时序脉冲没有到来），这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端Q非的。一旦时序控制端CL的时序脉冲到了，D端输入的数据就会传输到Q及Q非端。数据传送过来后，当CL时序控制端的时序信号消失了，输出端还会保持着上次输入端D的数据（即把上次的数据锁存起来了）。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时D端的数据才再次传送到Q端，从而改变Q端的状态。
多路开关：在51单片机中，当内部的存储器够用（不需要外扩展存储器时，这里说的存储器包括数据存储器及程序存储器）时，P0口可以作为通用的输入输出端口（即I/O口）使用，当需要外扩存储器时，P0口就作为‘地址/数据’总线使用。这个多路选择开关就是用于选择是做为普通I/O口使用还是作为‘数据/地址’总线使用的选择开关。在上中，当多路开关与下面接通时，P0口作为普通的I/O口使用，当多路开关与上面接通时，P0口作为‘地址/数据’总线使用。 
输出驱动部份：从上图可以看出，P0口的输出是由两个MOS管组成的推拉式结构，也就是说，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。
与门、与非门：与门电路的逻辑原理是：将输入端的所有输入信号进行“逻辑与”运算，然后将结果输出；与非门电路的逻辑原理是：将输入端的所有输入信号进行“逻辑与非”运算，然后将结果输出。

前面我们已将P0口的各单元部件进行了一个详细的讲解，接下来我们来研究一下P0口做为I/O口及地址/数据总线使用时的具体工作过程。
1、作为I/O端口使用时的工作原理

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，即多路开关向下闭合），在上图中，多路开关的控制信号同时与与门的一个输入端相连，与门的逻辑特点是“全1出1，有0出0”，那么如果控制信号是0的话，这时与门输出的也是一个0（低电平），由于该与门的输出是0，V1管就截止，在多路控制开关的控制信号是0（低电平）时，多路开关是与锁存器的/Q端相接的（即P0口作为I/O口线使用）。 
P0口用作I/O口线时，由数据总线向引脚输出（即输出状态Output）的工作过程是：当写锁存器信号CL有效，数据总线的信号→锁存器的输入端D→锁存器的反向输出端/Q→多路开关→V2管的栅极→V2的漏极到输出端口P0.i。前面已经介绍，当多路开关的控制信号为低电平0时，与门输出为低电平，V1管截止，所以作为输出口时，P0是漏极开路输出，类似于OC门，也就是说，当数据总线输出0时，V2导通，则引脚直接接到地，输出的电平自然就是低电平了，但是当数据总线输出1时，V2截止，由于这时V也截止了，这时引脚既没有接高电平VCC,也没有接低电平GND，相当于处在一个悬空状态。但是我们的目的是要输出高电平，这时就需要在引脚上外接上拉电阻，确保数据总线输出1时，引脚也输出高电平（这就是我们平时说P0口需要接上拉电阻的原因）。
下图就是由内部数据总线向P0口输出数据的数据流向图（黑色加粗箭头指示）。
 
 


P0口用作I/O口线时，由引脚向内部数据总线输入（即输入状态Input）的工作过程：
    数据输入时（读P0口）有两种情况
1、读引脚
    读芯片引脚上的数据，读引脚数时，读引脚缓冲器打开（即三态缓冲器的控制端要有效），通过内部数据总线输入，如下图所示（黑色加粗箭头指示）。
P0口做输入端口时，输入信号将被送到读引脚的三态缓冲器和V2的漏极，如果锁存器之前锁存的是信号“0”，那么VT2导通，这时无论引脚上的电平信号是高电平还是低电平，由于引脚直接与地相连，都只能读到“0”。所以，在读取引脚的输入信号之前，需要先通过内部数据总线向锁存器写入“1”信号，使V2截止，这时才能争取读取到引脚上的输入信号（这就是常说的在读P0引脚输入信号前，先要向该引脚输出信号”1“的原因）
 
 


 

2、读锁存器
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，如下图所示（黑色加粗箭头指示）：



    在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q＝0，/Q＝1，场效应管T2开通，端口呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电乎还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能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Q＝1，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。因此，51单片机在对端口P0一P3的输入操作上，需要注意：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，读锁存器而不是读引脚，可以避免因外部电路的原因而使原端口的状态被读错。