2.5 并行I/O口结构

AT89S51/52单片机具有4个8位并行I/O端口（接口电路中的数据寄存器），分别记作P0、P1、P2、P3，共32位I/O口线。每一位I/O口线都能独立用作输入或输出，具有字节寻址和位寻址功能。这4个端口是单片机与外围设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换的通道，在数据传输过程中，是通过对端口的访问来进行读写操作的。

2.5.1 P0口

在4个并行口中，P0口的接口电路最为复杂。在扩展外部总线时，P0口分时用作低8位地址线和8位数据线，P0口先输出片外存储器的低8位地址并锁存到地址锁存器中，然后再输出或输入数据；在单片机最小系统（不扩展外部总线的应用系统）中，P0口可以用作通用输入/输出口使用。

P0口各位的逻辑结构如图2-7所示，8个D触发器构成了P0口锁存器（即特殊功能寄存器P0），字节地址为80H。接口电路由一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、数据输出驱动电路和输出控制电路构成。

1.P0口用作低8位地址/8位数据总线使用

在扩展外部总线系统中，P0口是作为单片机外部系统总线的低8位地址/8位数据分时复用口使用，此时是真正的双向口。

当由P0口输出地址或数据时，由CPU内部发出控制信号“1”打开上面的与门，并使多路转接电路MUX处于内部地址/数据总线与驱动电路场效应晶体管T2栅极反相接通状态。输出驱动电路T1与T2处于反相，形成推拉式电路结构，使负载能力大为提高。

当由P0口输入数据时，数据信号则直接从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。

图2-7 P0口每位结构图

二维码2-1

2.P0口用作通用I/O口使用

在单片机最小系统中（不扩展外部系统总线），P0口为通用I/O口，此时CPU内部发出控制信号“0”封锁与门，使输出场效应晶体管T1截止，同时多路开关MUX将输出锁存器端与输出场效应晶体管T2的栅极接通。

当从P0口输出时，内部的写脉冲加在D触发器的CL端，数据写入锁存器，并向端口引脚输出，由锁存器和驱动电路构成数据输出通路。由于通路中已有输出锁存器，因此数据输出时可以与外设直接连接，而不需要再加数据锁存电路。

当从P0口输入时，分为读引脚和读端口两种情况，为此在接口电路中有两个用于读入的三态缓冲器。读引脚就是读芯片引脚的数据，由“读引脚”信号把下方的数据缓冲器打开，把端口引脚上的数据经缓冲器读入内部总线。读端口则是读锁存器Q端的状态，这样设计的目的是为了适应“读-修改-写”指令的需要，本来Q端与引脚的信号是一致的，不直接读引脚而读锁存器是为了避免可能出现的错误。

需要注意的是，当读引脚时，必须先向电路中对应的锁存器写入“1”，使T2截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的错误，因为如果T2导通，引脚钳位为低电平，读入总是0。此外，当P0口作为通用I/O口使用时，由于输出电路是漏极开路电路，需外接上拉电阻，因此有时也称为准双向口。

2.5.2 P1口

P1口为准双向I/O口，其每位的结构如图2-8所示，由锁存器、输出驱动电路和输入缓冲器组成，P1口引脚内接有上拉电阻。P1口由8个这样的电路组成，其中8个D触发器构成了P1口锁存器（即特殊功能寄存器P1），字节地址为90H。

当Pl口作为输出口使用时，将数据写入P1口某一位的锁存器，并向端口引脚输出。如输出“1”，Q=1，T截止，引脚上拉为1；如输出“0”，Q=0，T饱和导通，引脚为“0”。

当P1口用作输入口使用时，同样也有读引脚和读锁存器两种情况。对于“读-修改-写”指令，是先读锁存器，再修改锁存器，之后输出；对于读引脚指令，同样需要保证其锁存器锁存“1”，使输出驱动电路的场效应晶体管T截止，以免引脚电平读入的错误。

图2-8 P1口每位结构图

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P1口除了可以作为通用I/O口使用外，其P1.0、P1.1引脚还可以作为定时/计数器T2（AT89S52）的控制引脚，P1.5、P1.6、P1.7还可以用于在系统编程ISP。

2.5.3 P2口

P2口每位的结构如图2-9所示，由锁存器、多路开关、逻辑门、输出驱动电路和输入缓冲器组成。8个D触发器构成了P2口锁存器（即特殊功能寄存器P2），字节地址为A0H。

图2-9 P2口每位结构图

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在不扩展外部系统总线时，P2口可以作为通用I/O口使用，此时多路开关MUX自动和Q端接通，既可以做输入，也可以做输出。做输出时无须外接上拉电阻，做输入时，同样需要保证锁存值为1（使T截止）。

在扩展外部系统总线时，P2口输出高8位地址总线，与P0口低8位地址线一起构成16位地址总线。此时MUX在CPU的控制下转向内部地址线的一端，引脚输出地址信号。

2.5.4 P3口

P3口每位的结构如图2-10所示，与P1口结构相比多了一个与非门和一个三态缓冲器。与非门的作用相当于一个转换开关，实现第二输出功能；三态缓冲器的作用是实现第二输入功能。8个D触发器构成了P3口锁存器（即特殊功能寄存器P3），字节地址为B0H。

图2-10 P3口每位结构图

二维码2-4

当作为通用I/O口输出使用时，第二输出功能端保持高电平，与非门打开，锁存器输出通过与非门和场效应晶体管T输出到引脚。做输入时也需要向对应的锁存器写入1，当CPU执行读引脚指令时，第二输入功能自动关闭，读引脚信号有效，引脚信号读入CPU。

当端口用于第二输出功能时，锁存器输出Q为1，打开与非门，第二输出功能端信号通过与非门和场效应晶体管T送至端口引脚，从而实现第二功能信号输出；第二输入功能时，端口引脚的第二功能信号通过缓冲器送到第二输入功能端。

综上所述，P0～P3口都可作为准双向通用I/O口使用，其中P1～P3无须外接上拉电阻，P0口需外接上拉电阻；在需要扩展外部系统总线时，P0口作为8位数据总线和低8位地址总线的分时复用口，P2口作为高8位地址总线。

下面通过几张图来看一下并行I/O口的使用。图2-11中，K1～K4这4个按键分别通过P0.0～P0.3接入单片机，P0.0～P0.3做通用输入口使用，P0口应外接上拉电阻；D1～D3这4个LED分别接入P2.4～P2.7，这里P2.4～P2.7做通用输出口使用，无须外接上拉电阻。图2-12中，按钮BUT通过P3.2接入单片机，P3.2做通用输入口；LED1和LED2两个输出显示设备分别使用P0口和P2口，P0和P2都做通用输出口，但P0口需要外接上拉电阻RP1。图2-13是外部扩展存储器，此时P0和P2是外部总线，不是普通I/O口。

图2-11 按键、LED设备的连接

图2-12 按键、数码管设备的连接

图2-13 扩展外部存储芯片的连接