硬件結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由CPU、ROM、RAM等組成，現(xiàn)在介紹外部引腳。如圖1-3所示為單片機(jī)的引腳圖，這就是實(shí)驗(yàn)中要用的89C51單片機(jī)的外部引腳圖。如表1-3所示為89C51單片機(jī)引腳分配表。 圖1-3?89C51單片機(jī)的引腳圖 表1-3?89C51單片機(jī)引腳分配表 端口結(jié)構(gòu)分析 從1.3.1節(jié)的硬件結(jié)構(gòu)中可以看出，89C51單片機(jī)總共有4組端口，P0、P1、P2和P3，了解這4組端口的結(jié)構(gòu)原理對(duì)于日后的編程會(huì)有很大的幫助，由于這4組端口結(jié)構(gòu)不盡相同，下面分別介紹單片機(jī)總的4組端口。由于每組端口都是由8位組成，故在下面的講解中，只以每組端口的其中一位來解釋。 1. P0口的結(jié)構(gòu)及工作原理 P0口字節(jié)地址為80H，位地址80H～87H。P0端口8位中的一位結(jié)構(gòu)圖如圖1-4所示。 圖1-4?P0端口位結(jié)構(gòu)圖 由圖1-4可見，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、多路開關(guān)、一個(gè)非門、一個(gè)與門及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。圖1-4中標(biāo)號(hào)為P0.X引腳的圖標(biāo)，表示引腳可以是P0.0～P0.7的任何一位，即在P0口有8個(gè)與圖1-4所示相同的電路組成。下面先介紹組成P0口的每個(gè)單元部分。 (1)輸入緩沖器 在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，學(xué)過數(shù)字電路的讀者都知道三態(tài)門有3個(gè)狀態(tài)，即在其輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種高阻狀態(tài)(或稱為禁止?fàn)顟B(tài))，圖1-4中，上面一個(gè)是讀鎖存器的緩沖器，也就是說，要讀取D鎖存器輸出端Q的數(shù)據(jù)，需要使讀鎖存器中這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端(圖1-4中標(biāo)號(hào)為“讀鎖存器”端)有效，下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數(shù)據(jù)，也要使標(biāo)號(hào)為“讀引腳”的三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。 (2)D鎖存器 構(gòu)成一個(gè)鎖存器，通常要用一個(gè)時(shí)序電路(時(shí)序的單元電路內(nèi)容請(qǐng)參考數(shù)字電路相關(guān)知識(shí))，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位二進(jìn)制數(shù)(即具有保持功能)，在51單片機(jī)的32根I/O口線中，都是用一個(gè)D觸發(fā)器來構(gòu)成鎖存器的。圖1-4中的D鎖存器，D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端(即時(shí)序控制信號(hào)輸入端)，Q是輸出端，是反向輸出端。 對(duì)于D鎖存器來講，當(dāng)D輸入端有一個(gè)輸入信號(hào)，如果這時(shí)控制端CP沒有信號(hào)(即時(shí)序脈沖沒有到來)，這時(shí)輸入端D的數(shù)據(jù)是無法傳輸?shù)捷敵龆薗及反向輸出端的。如果時(shí)序控制端CP的時(shí)序脈沖到達(dá)，這時(shí)D端輸入的數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)絈及 端。數(shù)據(jù)傳送過來后，當(dāng)CP時(shí)序控制端的時(shí)序信號(hào)消失時(shí)，輸出端還會(huì)保持著上次輸入端D的數(shù)據(jù)(即把上次的數(shù)據(jù)鎖存起來)。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號(hào)到來，這時(shí)D端的數(shù)據(jù)才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。 (3)多路開關(guān) 在51單片機(jī)中，當(dāng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器夠用時(shí)(即不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，這里講的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及程序存儲(chǔ)器)，P0口可以作為通用的輸入/輸出端口(即I/O)使用，對(duì)于8031(內(nèi)部沒有ROM)的單片機(jī)，或者編寫的程序超過了單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口就作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。那么這個(gè)多路選擇開關(guān)就是用于選擇是作為普通I/O口使用還是作為地址/數(shù)據(jù)總線使用的選擇開關(guān)了。從圖1-4可知，當(dāng)多路開關(guān)與下端接通時(shí)，P0口作為普通的I/O口使用;當(dāng)多路開關(guān)是與上端接通時(shí)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。 (4)輸出驅(qū)動(dòng) 從圖1-4中可看出，P0口的輸出是由兩個(gè)MOS管組成的推拉式結(jié)構(gòu)，也就是說，這兩個(gè)MOS管一次只能導(dǎo)通一個(gè)，當(dāng)Vl導(dǎo)通時(shí)，V2截止，當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，Vl截止。 上面已對(duì)P0口的各單元部件進(jìn)行了詳細(xì)的講解，下面研究一下P0口作為I/O口及地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)的具體工作過程。 (1)作為I/O端口使用時(shí)的工作原理 P0口作為I/O端口使用時(shí)，多路開關(guān)的控制信號(hào)為0(低電平)，如圖1-4所示，多路開關(guān)的控制信號(hào)同時(shí)和與門的一個(gè)輸入端相接，與門的邏輯特點(diǎn)是“全l出1，有0出0”，那么控制信號(hào)如果是0，這時(shí)與門輸出的也是一個(gè)0(低電平)，此時(shí)Vl管就截止，在多路控制開關(guān)的控制信號(hào)是0(低電平)時(shí)，多路開關(guān)是與鎖存器的端相接的(即P0口作為I/O口線使用)。 P0口用作I/O口線，其由數(shù)據(jù)總線向引腳輸出(即輸出狀態(tài)Output)的工作過程：寫鎖存器信號(hào)CP有效，數(shù)據(jù)總線的信號(hào)的輸出流程為鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出端→多路開關(guān)→V2管的柵極→V2管的漏極→輸出端P0.X。前面已經(jīng)介紹過，當(dāng)多路開關(guān)的控制信號(hào)為低電平0時(shí)，與門輸出為低電平，Vl管是截止的，所以作為輸出口時(shí)，P0是漏極開路輸出狀態(tài)，類似于OC門，當(dāng)驅(qū)動(dòng)上接電流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻。如圖1-5所示就是由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線向P0口輸出數(shù)據(jù)的流程圖。 圖1-5?P0口內(nèi)部數(shù)據(jù)總線向引腳輸出時(shí)的流程圖 P0口用作I/O口線，其由一引腳向內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入(即輸入狀態(tài)Input)的工作過程，數(shù)據(jù)輸入時(shí)(讀P0口)有以下兩種情況： 第一種情況是讀引腳，即讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)。讀引腳數(shù)時(shí)，讀引腳緩沖器打開(即三態(tài)緩沖器的控制端要有效)，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入。如圖1-6所示為P0口讀引腳時(shí)的流程圖。 圖1-6?P0口讀引腳時(shí)的流程圖 第二種情況是讀鎖存器，通過打開讀鎖存器三態(tài)緩沖器讀取鎖存器輸出端Q的狀態(tài)。如圖1-7所示為P0口讀鎖存器時(shí)的流程圖。 圖1-7?P0口讀鎖存器時(shí)的流程圖 在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀取的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q=0，=l，場(chǎng)效應(yīng)管V2開通，端口線呈低電平狀態(tài)，此時(shí)無論端口線上外接的信號(hào)是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q=1，=0，場(chǎng)效應(yīng)管V2截止，如果外接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。為此，8031單片機(jī)在對(duì)端口P0～P3的輸入操作有如下約定：凡屬于讀—改—寫方式的指令，從鎖存器讀入信號(hào)，其他指令則從端口引腳線上讀入信號(hào)。讀—改—寫指令的特點(diǎn)是，從端口輸入(讀)信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)加以運(yùn)算(修改)后，再輸出(寫)到該端口上。下面是幾條讀—改—寫指令的示例。 ORL?P0, A P0→AP0 INC?P1 P1 1→P1 DEC?P3 P3-1→P3 CPL?P2 P2→P2 這樣安排的原因在于讀—改—寫指令需要得到端口原輸出的狀態(tài)，修改后再輸出，讀鎖存器而不是讀引腳，可以避免因外部電路的原因使原端口的狀態(tài)被讀錯(cuò)。 注意： P0端口是8031單片機(jī)的總線口，分時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)D7～D0、低8位地址A7～A0以及三態(tài)，用來連接存儲(chǔ)器、外部電路與外部設(shè)備。P0端口是使用最廣泛的I/O端口。 (2)作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用時(shí)的工作原理 在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用，這時(shí)多路開關(guān)控制信號(hào)為l，與門解鎖，與門輸出信號(hào)電平由地址/數(shù)據(jù)線信號(hào)決定;多路開關(guān)與反相器的輸出端相連，地址信號(hào)經(jīng)地址/數(shù)據(jù)線→反相器→V2場(chǎng)效應(yīng)管柵極→V2漏極輸出。例如，控制信號(hào)為l，地址信號(hào)為0時(shí)，與門輸出低電平，Vl管截止;反相器輸出高電平，V2管導(dǎo)通，輸出引腳的地址信號(hào)為低電平。如圖1-8所示為P0口作為地址線，控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為0時(shí)的工作流程圖。 圖1-8?P0口作為地址線，控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為0時(shí)的工作流程圖 反之，控制信號(hào)為l、地址信號(hào)為l，與門輸出為高電平，Vl管導(dǎo)通;反相器輸出低電平，V2管截止，輸出引腳的地址信號(hào)為高電平。如圖1-9所示為P0口作為地址線，控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為1時(shí)的工作流程圖。 圖1-9?P0口作為地址線，控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為1時(shí)的工作流程圖 可見，在輸出地址/數(shù)據(jù)信息時(shí)，Vl、V2管是交替導(dǎo)通的，負(fù)載能力很強(qiáng)，可以直接與外設(shè)存儲(chǔ)器相連，無須增加總線驅(qū)動(dòng)器。P0口又作為數(shù)據(jù)總線使用，在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，P0口輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線，以便讀指令碼(輸入)。在存取指令期間，控制信號(hào)為0，Vl管截止，多路開關(guān)也跟著轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端;CPU自動(dòng)將0FFH(11111111，即向D鎖存器寫入一個(gè)高電平1)寫入P0口鎖存器，使V2管截止，在讀引腳信號(hào)控制下，通過讀引腳三態(tài)門電路將指令碼讀到內(nèi)部總線。如圖1-10所示為P0口作為數(shù)據(jù)總線，取指期間工作流程圖。 圖1-10?P0口作為數(shù)據(jù)總線時(shí)取指期間工作流程圖