51单片机GPIO结构框图与工作原理

前言

不论学习什么单片机，最简单的外设莫过于IO 口的高低电平控制，本教程将向大家介绍如何在创建好的工程模板上通过操作51 单片机的GPIO 口输出高低电平。

一、GPIO 概念

GPIO（general purpose intput output）是通用输入输出端口的简称，可以通过软件来控制其输入和输出。51 单片机芯片的GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。不过GPIO 最简单的应用还属点亮LED 灯了，只需通过软件控制GPIO 输出高低电平即可。当然GPIO还可以作为输入控制，比如在引脚上接入一个按键，通过电平的高低判断按键是否按下。

我们开发板上使用的51 单片机型号是STC89C52 或STC89C516，此芯片共有40 引脚，芯片引脚图如下图所示：

那么是不是所有引脚都是GPIO 呢？当然不是，51 单片机引脚可以分为这么几大类：

（1）电源引脚：引脚图中的VCC、GND 都属于电源引脚。

（2）晶振引脚：引脚图中的XTAL1、XTAL2 都属于晶振引脚。

（3）复位引脚：引脚图中的RST/VPD 属于复位引脚，不做其他功能使用。

（4）下载引脚：51 单片机的串口功能引脚（TXD、RXD）可以作为下载引脚使用。

（5） GPIO 引脚：引脚图中带有Px.x 等字样的均属于GPIO 引脚。从引脚图可以看出，GPIO 占用了芯片大部分的引脚，共达32 个，分为了4 组，P0、P1、P2、P3，每组为8 个IO，而且在P3 组中每个IO 都具备额外功能，只要通过相应的寄存器设置即可配置对应的附加功能，同一时刻，每个引脚只能使用该引脚的一个功能。

对于这么多GPIO 管脚，我们怎么知道具体某个引脚有什么功能呢？很简单，可以查阅STC89CXX 芯片数据手册获取信息，数据手册在我们光盘“6--芯片资料开发板芯片数据手册”内，里面有一个STC89CXX 数据手册.pdf。里面的第23 页中就有介绍，我们截取了一部分内容如下图所示：

从上图中我们可以获取引脚的名字和引脚功能等信息。这个我们开发板芯片原理图内已经将引脚所有功能都标进去了，所以后面也不需要查找具体引脚有什么功能，直接看原理图即可。

二、GPIO 结构框图与工作原理

我们使用的51 单片机GPIO 分为P0、P1、P2 和P3 口，下面分别来介绍其内部结构框图与工作原理。

1.P0 端口

P0 端口含有8 位引脚，下图为其中一个，其它几个与之完全一致，因此只需了解当中一个即可。如下图所示：

由上图可见，P0 端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个非门、一个与非门及场效应管驱动电路构成。再看图的最右边，标号为P0.x 引脚的图标，也就是说P0.x 引脚可以是P0.0 到P0.7 的任何一位，即在P0 口有8 个与上图相同的电路组成。

下面，我们先就组成P0 口的每个单元部份跟大家介绍一下：

①输入缓冲器

在P0 口中，有两个三态的缓冲器，在学数字电路时，我们已知道，三态门有三个状态，即在输出端可以是高电平、低电平，同时还有一种就是高阻状态（或称为禁止状态），大家看上图，上面一个是读锁存器的缓冲器，也就是说，要读取D 锁存器输出端Q 的数据，那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端（上图中标号为‘读锁存器’端）有效。下面一个是读引脚的缓冲器，要读取P0.x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，引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线上。

②D 锁存器

构成一个锁存器，通常要用一个时序电路，时序的单元电路在学数字电路时我们已知道，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。大家看上图中的D 锁存器，D 端是数据输入端，CP（CLK）是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q 是输出端，Q 非是反向输出端。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CP 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。如果时序控制端CP 的时序脉冲一旦到了，这时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CP 时序控制端的时序信号消失了，这时，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。

③多路开关

在51 单片机中，当内部的存储器够用（也就是不需要外扩展存储器时，这里讲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）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。那么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了。大家看上图，当多路开关与下面接通时，P0 口是作为普通的I/O 口使用的，当多路开关是与上面接通时，P0 口是作为‘地址/数据’总线使用的。

④场效应管输出驱动

从上图中可以看出，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。

⑤与非门、非门

这个在学习数字电路时也很好理解，如果没有数字电路基础的用户，可以百度查找与非门、非门以及前面的D 触发器详细了解，这里就不再过多叙述。当然如果搞不明白这些也不会影响后续我们学习51 单片机编程，大家也可以忽略。前面我们已将P0 口的各单元部件进行了一个详细的讲解，下面我们就来研究一下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 端口输出使用时的工作原理

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），看上图中的红线部分，多路开关的控制信号同时与与非门的一个输入端是相接的，我们知道与门的逻辑特点是“全1 出1，有0 出0”那么控制信号是0 的话，这时与门输出的也是一个0（低电平），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 非端相接的（即P0 口作为I/O 口线使用）。

P0 口用作I/O 口线，其由数据总线向引脚输出（即输出状态Output）的工作过程：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→多路开关→V2 管的栅极→V2 的漏极到输出端P0.X。前面我们已讲了，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 管是截止的，所以作为输出口时，P0 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。

下图就是由内部数据总线向P0 口输出数据的流程图（红色箭头）：

p0口只能输出低电平，如果输出高电平就要外接上拉电阻（4.7k-10k）

（2）作为I/O 端口输入使用时的工作原理

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，请看下图（红色箭头）。

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，请看下图（红色箭头）

因为现在STC 51 单片机内存已经足够使用，所以也用不到通过P0 口外扩存储器，对于P0 口作为外扩存储器时的工作原理这里就不叙述，如需了解的朋友可以上网百度。

2.P1 端口

P1 口的结构最简单，用途也单一，仅作为数据输入/输出端口使用。输出的信息有锁存，输入有读引脚和读锁存器之分。P1 端口的一位结构见下图：

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V1，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和场效应管反相后，锁存在端口线上，所以，P1 端口是具有输出锁存的静态口。

由上图可见，要正确地从引脚上读入外部信息，必须先使场效应管关断，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。

P1 口的结构相对简单，前面我们已详细的分析了P0 口，只要大家认真的分析了P0 口的工作原理，P1 口我想大家都有能力去分析，这里我就不多论述了。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。

3.P2 端口

P2 端口的一位结构见下图：

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 端口在功能上兼有P0 端口和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和场效应管反相后，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和场效应管反相后，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 端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。因此P2 端口是动态的I/O 端口。输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部RAM 的高8 位地址。P2 口既可作为I/O 口使用，也可作为地址总线使用，通常主要用作I/O 口使用，地址总线使用不作分析。

P2 口的结构相对简单，前面我们已详细的分析了P0 和P1 口，只要大家认真的分析了它们的工作原理，P2 口我想大家都有能力去分析，这里我就不多论述了。

3.P3 端口

P3 口是一个多功能口，它除了可以作为I/O 口外，还具有第二功能，P3 端口的一位结构见下图：

由上图可见，P3 端口和Pl 端口的结构相似，区别仅在于P3 端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，其作用与P1 端口作用相同，也是静态准双向I/O 端口。当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能，故P3 端口为静态双功能端口。有关P3 口第二功能，在前面章节芯片管脚功能定义已经讲解过，此处不再重复。

至此，我们就把51 单片机的P0、P1、P2 和P3 口内部结构及原理讲解完，可能有的朋友会很懵、看不懂，没关系，这些都不会影响你编写单片机应用程序，大家记住以下几点即可：

①P0 口是漏极开路，要使其输出高电平，必须外接上拉电阻，通常选择4.7K~10K 阻值。

②P0、P1、P2 几乎都用作普通I/O 口使用，既可作为输入，又可作为输出。

③P3 口既可用作普通I/O 口，又可作为第二功能使用，比如串口、外部中断、计数器等。