AT89S51的并行I／O口

      AT89S51单片机共有4个双向的8位并行I／O口，分别记为PO、Pl、P2和P3，其中输出锁存器属于特殊功能寄存器。端口的每一位均由输出锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成，这4个端口除了按字节输入／输出外，还可以按位寻址，便于位控功能的实现。
　　
　　PO口
　　
　　PO口是一个双功能的8位并行口，字节地址为80H，位地址为80H～87H。端口的各位具有完全相同但又相互独立的电路结构，PO口某一位的位电路结构如图2-8所示。
　　
　　1．位电路结构

      PO口某一位的电路包括：
　　
　　(1)一个数据输出的锁存器，用于数据位的锁存。
　　
　　(2)两个三态的数据输入缓冲器，分别是用于读锁存器数据的输入缓冲器BUF1和读引脚数据的输入缓冲器BUF2。
　　
　　(3)一个多路转接开关MUX，它的一个输入来自锁存器的Q（的反）端，另一个输入为地址／数据信号的反相输出。MUX由“控制”信号控制，实现锁存器的输出和地址／数据信号之间的转接。
　　
　　(4)数据输出的控制和驱动电路，由两个场效应管(FET)组成。
　　
　　2．工作过程分析
　　
　　(1) PO口用作地址／数据总线  当AT89S51外扩存储器或I／O时，PO口作为单片机系统复用的地址／数据总线使用。
　　
　　当作为地址或数据输出时，“控制”信号为1，硬件自动使转接开关MUX打向上面，接通反相器的输出，同时使与门处于开启状态。当输出的地址／数据信息为l时，与门输出为1，上方的场效应管导通，下方的场效应管截止，PO.x引脚输出为l；当输出的地址／数据信息为O时，上方的场效应管截止，下方的场效应管导通，PO.x引脚输出为0。这说明PO.x引脚的输出状态随地址／数据状态的变化而变化。输出电路是上、下两个场效应管形成的推拉式结构，大大提高了负载能力，上方的场效应管这时起到内部上拉电阻的作用。
　　
　　当PO口作为地址／数据输入时，仅从外部存储器(或外部I/O)读入信息，对应的“控制”信号为0，MUX接通锁存器的Q（的反）端。由于PO口作为地址／数据复用方式访问外部存储器时，CPU自动向PO口写入FFH，使下方的场效应管截止，上方的场效应管由于控制信号为O也截止，从而保证数据信息的高阻抗输入，从外部存储器输入的数据信息直接由PO.x引脚通过输入缓冲器BUF2进入内部总线。
　　
　　具有高阻抗输入的I/O口如果是真正的双向口，它应是具有高电平、低电平和高阻抗3种状态的端口。因此，PO口作为地址／数据总线使用时是一个真正的双向端口，简称双向口。
　　
　　(2) PO口用作通用I/O口  当PO口不作为系统的地址／数据总线使用时，此时PO口也可作为通用的I/O口使用。
　　
　　当用作通用的I/O时，对应的“控制”信号为0，MUX打向下面，接通锁存器的Q（的反）端，与门输出为0，上方的场效应管截止，形成的PO口输出电路为漏极开路输出。
　　
　　PO口用作输出口时，来自CPU的“写”脉冲加在D锁存器的CP端，内部总线上的数据写入D锁存器，并由引脚PO.x输出。当D锁存器为1时，Q端为0，下方场效应管截止，输出为漏极开路，此时，必须外接上拉电阻才能有高电平输出；当D锁存器为0时，下方场效应管导通，PO口输出为低电平。
　　
　　PO口作为输入口使用时，有两种读入方式：“读锁存器”和“读引脚”。当CPU发出“读锁存器”指令时，锁存器的状态由Q端经上方的三态缓冲器BUF1进入内部总线；当CPU发出“读引脚”指令时，锁存器的输出状态=1（即Q（的反）端为0），从而使下方场效应管截止，引脚的状态经下方的三态缓冲器BUF2进入内部总线。
　　
　　3．PO口的特点
　　
　　综上所述，PO口具有如下特点：PO口为双功能口——地址／数据复用口和通用I/O口。
　　
　　(1)当PO口用作地址／数据复用口时，是一个真正的双向口，用作与外部存储器的连接，输出低8位地址和输出／输入8位数据。
　　
　　(2)当PO口用作通用I/O口时，由于需要在片外接上拉电阻，端口不存在高阻抗（悬浮）状态，因此是一个准双向口。为保证引脚信号的正确读入，应首先向锁存器写l。单片机复位后，锁存器自动被置1；当PO口由原来的输出状态转变为输入状态时，应首先置锁存器为1，方可执行输入操作。
　　
　　一般情况下，PO口大多作为地址／数据复用口使用，这时就不能再作为通用I/O口使用。

　　Pl口
　　
　　Pl口是单功能的I/O口，字节地址为90H，位地址为90H～97H。Pl口某一位的位电路结构如图2-9所示。
　　
　　1．位电路结构

      P1口位电路结构由以下三部分组成：
　　
　　(1)一个数据输出锁存器，用于输出数据位的锁存。
　　
　　(2)两个三态的数据输入缓冲器BUF1和BUF2，分别用于读锁存器数据和读引脚数据的输入缓冲。
　　
　　(3)数据输出驱动电路，由一个场效应管(FET)和一个片内上拉电阻组成。
　　
　　2．工作过程分析
　　
　　 P1口只能作为通用的I/O口使用。
　　
　　(1) P1口作为输出口时，若CPU输出1，Q=1， Q（的反）=0，场效应管截止，Pl口引脚的输出为1；若CPU输出Q=0，Q（的反）=1，场效应管导通，P1口引脚的输出为0。
　　
　　(2) P1口作为输入口时，分为“读锁存器”和“读引脚”两种方式。“读锁存器”时，锁存器的输出端Q的状态经输入缓冲器BUF1进入内部总线；“读引脚”时，先向锁存器写1，使场效应管截止，Pl.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。
　　
　　3.P1口的特点
　　
　　P1口由于有内部上拉电阻，没有高阻抗输入状态，故为准双向口。作为输出口时，不需要在片外接上拉电阻。
　　
　　P1口“读引脚”输入时，必须先向锁存器写入1。
　　
　　P2口
　　
　　P2口是一个双功能口，字节地址为AOH，位地址为AOH～A7H。P2口某一位的位电路结构如图2-10所示。
　　
　　1．位电路结构
　　
　　P2口某一位的电路包括：
　　
　　(1)一个数据输出锁存器，用于输出数据位的锁存。
　　
　　(2)两个三态数据输入缓冲器BUF1和BUF2，分别用于读锁存器数据和读引脚数据的输入缓冲。
　　
　　(3)一个多路转接开关MUX，它的一个输入是锁存器的Q端，另一个输入是地址的高8位。
　　
　　(4)输出驱动电路，由场效应管(FET)和内部上拉电阻组成。
　　
　　2．工作过程分析
　　
　　(1) P2口用作地址总线  在内部控制信号作用下，MUX与“地址”接通。当“地址”线为O时，场效应管导通，P2口引脚输出0；当“地址”线为1时，场效应管截止，P2口引脚输出1。(2) P2口用作通用I/O口  在内部控制信号作用下，MUX与锁存器的Q端接通。
　　
　　CPU输出1时，Q=1，场效应管截止，P2．x引脚输出1；CPU输出0时，Q=0，场效应管导通，P2．x引脚输出0。
　　
　　输入时，分为“读锁存器”和“读引脚”两种方式。“读锁存器”时，Q端信号经输入缓冲器BUF1进入内部总线；“读引脚”时，先向锁存器写1，使场效应管截止，P2.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。
　　
　　3．P2口的特点
　　
　　作为地址输出线使用时，P2口可以输出外部存储器的高8位地址，与PO口输出的低8位地址一起构成16位地址，可以寻址64 KB的地址空间。当P2口作为高8位地址输出口时，输出锁存器的内容保持不变。
　　
　　作为通用I/O口使用时，P2口为一个准双向口。功能与Pl口一样。
　　
　　一般情况下，P2口大多作为高8位地址总线口使用，这时就不能再作为通用I/O口使用。

      P3口
  　　
　　由于AT89S51的引脚数目有限，因此在P3口电路中增加了引脚的第二功能。P3口的每一位都可以分别定义为第二输入功能或第二输出功能。P3口的字节地址为BOH，位地址为BOH～B7H。P3口某一位的位电路结构如图2-11所示。
　　
　　1．位电路结构
　　
　　P3口某一位的电路包括：
　　
　　(1)一个数据输出锁存器，用于输出数据位的锁存。
　　
　　(2)3个三态数据输入缓冲器BUF1、BUF2和BUF3，分别用于读锁存器、读引脚数据和第二功能数据的输入缓冲。    
　　
　　(3)输出驱动电路，由与非门、场效应管(FET)和内部上拉电阻组成。
　　
　　2．工作过程分析
　　
　　(1) P3日用作第二输入／输出功能  当选择第二输出功能时，该位的锁存器需要置1，使与非门为开启状态。当第二输出为1时，场效应管截止，P3．x引脚输出为1；当第二输出为0时，场效应管导通，P3.x引脚输出为0。
　　
　　当选择第二输出功能时，该位的锁存器和第二输出功能端均应置1，保证场效应管截止，P3．x引脚的信息由输入缓冲器BUF3的输出获得。
　　
　　(2) P3口用作第一功能——通用I/O口  当P3口用作第一功能通用输出时，第二输出功能端应保持高电平，与非门为开启状态。CPU输出1时，Q=l，场效应管截止，P3.x引脚输出为l；CPU输出0时，Q=0，场效应管导通，P3.x引脚输出为0。
　　
　　当P3口用作第一功能通用输入时，P3.x位的输出锁存器和第二输出功能均应置1，场效应管截止，P3.x引脚信息通过输入BUF3和BUF2进入内部总线，完成“读引脚”操作。
　　
　　当P3口实现第一功能通用输入时，也可以执行“读锁存器”操作，此时Q端信息经过缓冲器BUF1进入内部总线。
　　
　　3．P3口的特点
　　
　　P3口内部有上拉电阻，不存在高阻抗输入状态，为准双向口。
　　
　　P3口作为第二功能的输出／输入或第一功能通用输入，均需将相应位的锁存器置1。实际应用中，由于复位后P3口锁存器自动置l，满足第二功能所需的条件，所以不需要任何设置工作，就可以进入第二功能操作。
　　
　　当某位不作为第二功能使用时，可作为第一功能通用I/O口使用。
　　
　　引脚输入部分有两个缓冲器，第二功能的输入信号取自缓冲器BUF3的输出端，第一功能的输入信号取自缓冲器BUF2的输出端。
　　
　　P3口的第二功能定义见表2-1。
　　
　　P1～P3口驱动LED发光二极管
　　
　　下面以常见的P1～P3口驱动LED发光二极管问题为例，来讨论P1～P3口与LED发光二极管的驱动连接问题。
　　
　　PO口与Pl、P2、P3口相比，PO口的驱动能力较大，每位可驱动8个LSTTL输入，而Pl、P2、P3口的每一位的驱动能力，只有PO口的一半。当PO口的某位为高电平时，可提供400 μA的电流；当PO口的某位为低电平(0.45 V)时，可提供3.2 mA的灌电流，如低电平允许提高，灌电流可相应加大。所以，任何一个口要想获得较大的驱动能力，只能用低电平输出。例如，使用单片机的并行口P1～P3直接驱动发光二极管，电路如图2-12所示。由于P1～P3口内部有30 kΩ左右的上拉电阻，如果高电平输出，则强行从Pl、P2和P3口输出的电流Id会造成单片机端口的损坏，如图2-12(a)所示。

如果端口引脚为低电平，能使电流Id从单片机的外部流入内部，则将大大增加流过的电流值，如图2-12(b)所示。所以，当P1～P3口驱动LED发光二极管时，应该采用低电平驱动。