单片机原理图
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2023年3月19日发(作者：我设计的自行车).
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一、P0端口的结构及工作原理
P0端口8位中的一位结构图见下图：
由上图可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个与非
门、一个与门及场效应管驱动电路构成。再看图的右边，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：
先看输入缓冲器：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，即在其的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
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上。
D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。
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
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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。
输出驱动部份：从上图中我们已看出，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：这两个单元电路的逻辑原理我们在第四课数字及常用
逻辑电路时已做过介绍，不明白的同学请回到第四节去看看。
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
上图中的线线部份，多路开关的控制信号同时与与门的一个输入端是
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），与让的输
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
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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
口用作I/O口线，其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，请看下图（红
色简头）。
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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）：
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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非＝1，
场效应管T2开通，端口线呈低电平状态。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。为此，
8031单片机在对端口P0一P3的输入操作上，有如下约定：为此，
8051单片机在对端口P0一P3的输入操作上，有如下约定：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。下面是几条读--修改-写指令
的例子。
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
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被读错。
P0端口是8031单片机的总线口，分时出现数据D7一D0、
低8位地址A7一AO，以及三态，用来接口存储器、外部电路与外部
设备。P0端口是使用最广泛的I／O端口。
2、作为地址/数据复用口使用时的工作原理
在访问外部存储器时P0口作为地址/数据复用口使用。
这时多路开关‘控制’信号为‘1’，‘与门’解锁，‘与门’
输出信号电平由“地址/数据”线信号决定；多路开关与反相器的输
出端相连，地址信号经“地址/数据”线→反相器→V2场效应管栅极
→V2漏极输出。
例如：控制信号为1，地址信号为“0”时，与门输出低电平，V1管
截止；反相器输出高电平，V2管导通，输出引脚的地址信号为低电
平。请看下图（兰色字体为电平）：
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反之，控制信号为“1”、地址信号为“1”，“与门”输出为高电平，
V1管导通；反相器输出低电平，V2管截止，输出引脚的地址信号为
高电平。请看下图（兰色字体为电平）：
可见，在输出“地址/数据”信息时，V1、V2管是交替导通的，负载
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能力很强，可以直接与外设存储器相连，无须增加总线驱动器。
P0口又作为数据总线使用。在访问外部程序存储器时，P0
口输出低8位地址信息后，将变为数据总线，以便读指令码（输入）。
在取指令期间，“控制”信号为“0”，V1管截止，多路开关
也跟着转向锁存器反相输出端Q非；CPU自动将0FFH（11111111，即
向D锁存器写入一个高电平‘1’）写入P0口锁存器，使V2管截止，
在读引脚信号控制下，通过读引脚三态门电路将指令码读到内部总
线。请看下图
如果该指令是输出数据，如MOVX@DPTR，A（将累加器的内容通过
P0口数据总线传送到外部RAM中），则多路开关“控制”信号为‘1’，
“与门”解锁，与输出地址信号的工作流程类似，数据据由“地址/
数据”线→反相器→V2场效应管栅极→V2漏极输出。
如果该指令是输入数据（读外部数据存储器或程序存储器），
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如MOVXA，@DPTR（将外部RAM某一存储单元内容通过P0口数据总
线输入到累加器A中），则输入的数据仍通过读引脚三态缓冲器到内
部总线，其过程类似于上图中的读取指令码流程图。
通过以上的分析可以看出，当P0作为地址/数据总线使用时，在读指
令码或输入数据前，CPU自动向P0口锁存器写入0FFH，破坏了P0口
原来的状态。因此，不能再作为通用的I/O端口。大家以后在系统设
计时务必注意，即程序中不能再含有以P0口作为操作数（包含源操
作数和目的操作数）的指令。
二、P1端口的结构及工作原理
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T1，并且输出的信息仅来自内部总线。
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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，H端口也有读锁存器与读引脚之分。
三、P2端口的结构及工作原理:
P2端口的一位结构见下图：
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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。
在输入功能方面，P2端口与P0和H端口相同，有读引脚和读锁
存器之分，并且P2端口也是准双向口。
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可见，P2端口的主要特点包括：
①不能输出静态的数据；
②自身输出外部程序存储器的高8位地址；
②执行MOVX指令时，还输出外部RAM的高位地址，故称P2端口为动
态地址端口。
即然P2口可以作为I/O口使用，也可以作为地址总线使用，下面我
们就不分析下它的两种工作状态。
1、作为I/O端口使用时的工作过程
当没有外部程序存储器或虽然有外部数据存储器，但容易不大
于256B，即不需要高8位地址时（在这种情况下，不能通过数据地
址寄存器DPTR读写外部数据存储器），P2口可以I/O口使用。这时，
“控制”信号为“0”，多路开关转向锁存器同相输出端Q，输出信号
经内部总线→锁存器同相输出端Q→反相器→V2管栅极→V2管9漏
极输出。
由于V2漏极带有上拉电阻，可以提供一定的上拉电流，负载
能力约为8个TTL与非门；作为输出口前，同样需要向锁存器写入“1”，
使反相器输出低电平，V2管截止，即引脚悬空时为高电平，防止引
脚被钳位在低电平。读引脚有效后，输入信息经读引脚三态门电路到
内部数据总线。
2、作为地址总线使用时的工作过程
P2口作为地址总线时，“控制”信号为‘1’，多路开关车向地
址线（即向上接通），地址信息经反相器→V2管栅极→漏极输出。由
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于P2口输出高8位地址，与P0口不同，无须分时使用，因此P2口
上的地址信息（程序存储器上的A15~A8）功数据地址寄存器高8位
DPH保存时间长，无须锁存。
四、P3端口的结构及工作原理
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
.
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为静态双功能端口。
P3口的特殊功能（即第二功能）：
使P3端品各线处于第二功能的条件是:
1、串行I/O处于运行状态(RXD,TXD);
2、打开了处部中断(INT0,INT1);
3、定时器/计数器处于外部计数状态(T0,T1)
4、执行读写外部RAM的指令(RD,WR)
在应用中,如不设定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的产生不用
设置),则P3端口线自动处于第一功能状态，也就是静态I／O端口的
工作状态。在更多的场合是根据应用的需要，把几条端口线设置为第
二功能，而另外几条端口线处于第一功能运行状态。在这种情况下，
不宜对P3端口作字节操作，需采用位操作的形式。
端口的负载能力和输入／输出操作:
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P0端口能驱动8个LSTTL负载。如需增加负载能力，可在P0总线上
增加总线驱动器。P1，P2，P3端口各能驱动4个LSTTL负载。
前已述及，由于P0-P3端口已映射成特殊功能寄存器中的P0一P3端
口寄存器，所以对这些端口寄存器的读／写就实现了信息从相应端口
的输入／输出。例如：
MOVA，P1；把Pl端口线上的信息输入到A
MoVP1，A；把A的内容由P1端口输出
MOVP3，#0FFH；使P3端口线各位置l
在这节课我们已将51单片机的4个8位的并行口跟大家一起来分析
了一下，在后面的章节中我们将还会与外设一起来与大家学习。