MCS51P端口知识.doc

MCS-51P端口知识1 引言MSC51是70年代末的产品，目前出现了很多功能更强大的单片机，但在目前市场上的产品中MSC51仍占单片机的多半产品，且MCS51是其他单片机的基础。本文将详细讨论MSC51的并行接口，目的是为单片机的使用者提供更好的理论依据。2 MSC51的并行I/O端口2.1 I/O端口简介I/O端口又称为I/O接口或I/O通路，是MSC51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，是一个过渡的大规模集成电路，用于信息传递过程中的速度匹配和增强单片机的负载能力。I/O端口可以实现和不同外设的速度匹配，以提高CPU的工作效率，可以改变数据的传送方式，如：内部并行总线与外部设备串行数据传送的转换。2.2 MSC51各并行I/O的组成I/O端口分为串行口和并行口。串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息；并行I/O端口一次可传送一个字节的数据。MSC51单片机有四个并行端口，分别命名为P0、P1、P2、P3，每个端口都有八条端口线，用于传送数据或地址信息。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上差别颇大。每个I/O端口都由一个八位数据锁存器和一个八位数据缓冲器组成，其中八位数据锁存器的端口与P0、P1、P2、P3同名，属于21个特殊功能寄存器中的4个，对应内部RAM地址分别为80H、90H、A0H、B0H。需要输出数据时，8个数据锁存器用于对端口引脚上输入数据进行锁存。需要输入数据时，8个数据缓冲器用于对端口引脚上输入数据进行缓冲。另外访问并行I/O端口除了可以用字节地址访问外，还可以进行按位寻址。3 P0综述3.1 P0口功能P0.7P0.0为P0所用。P0口的访问地址是80H，位地址范围是80H87H。由于P0口具有较大的负载能力，最多可推动8个TTL门，因此是真正的双向I/O口。一般来说，P0口具有两种功能：第一，P0口可以作为通用I/O接口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。输出数据时可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。第二，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。3.2 P0口的结构 图1P0是由一个输出锁存器(D型触发器)，两个三态门缓冲22(控制读引脚或读锁存器)，与门和多路开关MUX组成的输出控制电路，一对场效应晶体管FET构成的输出电路所组成。P0口的多路开关的输入有两个：地址/数据输出和锁存器输出/Q，多路开关的切换由内部控制信号控制。3.3 P0口的工作原理3.3.1 P0口的I/O操作(通用I/O端口)在P0口作为通用I/O端口时，控制电路中“控制”端输入为0电平。此时，多路开关MUX接入下方的锁存器的/Q端。由于“控制”输入为0，上端的FET截止。输出操作当内部总线信号置0时，锁存器输出/Q输出高电平，下端FET导通，由于上端FET截止，因此P0引脚输出低电平。当内部总线置1时，锁存器输出低电平，下端FET截止，由于上拉电阻的作用，P0口引脚输出高电平。注意：由于两个场效应管均截止，使输出处于“悬浮”状态，因此当MOS负载连接时需要加上一上拉电阻，以保证端口能够正确的输出高电平。如图1所示。输入操作输入操作比较复杂，实际上有两种输入方式：a.读引脚在响应CPU的读引脚操作时，引脚的电平值通过缓冲器BUF1进入内部总线。注意，再执行这种类型的指令时，执行之前必须将端口锁存器置1.执行程序为：MOV P0，#0FFH；端口锁存器置1MOV A，P0； 读引脚此时，下端FET截止，外部数据通过读引脚操作，把数据正确传给数据总线，若不执行MOV P0，#OFFH，则A点可能为高电平，此时下端FET导通，即P0引脚接地，无法正确输入外部电平数据。b.读锁存器在执行读锁存器的操作时，CPU首先完成将锁存器的输出值Q通过缓冲器BUF2读入，然后进行修改，再重新写到锁存器中去，即读锁存器一般完成的是“读修改写”的操作。这种类型的操作指令只有算术(INC，DEC，ADD)，逻辑(ORC，XRL，ANL)，位(JBC，CPL，CLR)操作指令等。采用读锁存器而不是读引脚操作可以避免一些错误，例如：(如图2)如果使用一个晶体管驱动继电器，当端口输出高电平驱动晶体管导通时，P0.x引脚的输出电平只有0.7V。如果将引脚信号读回来，就会得到一个低电平的错误结果；而采用读锁存器则会保证数据的准确。图2P0口的两种数据操作P0口的操作分两类：字节操作和位操作。CPU对于P0口不仅可以作为一个八位口来操作，也可以按位来操作。有关字节操作指令以MOV为例：输出 MOV P0，A ；P0A MOV P0，#data ；P0data MOV P0，direct ；P0direct输入 MOV A，P0 ；AP0MOV direct，P0 ；directP0有关位操作指令，例如：置位、清除 SETB P0.i ；P0.i1 CLR P0.i ；P0.i0输入，输出：MOV P0.i，C ；P0.iCy MOV C，P0.i ；CyP0.i判 跳：JB P0.i，rel ；P0.i=1跳转 JB P0.i，rel ；P0.i=0跳转 且清P0.i=0逻辑运算：ANL C，P0.i ；Cy(P0与Cy) ORL C，P0.i ；Cy(P0与Cy)P0.i中i07。因此P0口不仅可以以八位一组进行输入输出操作，还可以逐位定义各口线为输入或输出线的电平。例如ORL P0，#00000010B可以使P0.2位口线输出而其余各位不变。ANL P0，#11111101B可以使P0.1位口线输出，而其余各位不变。3.3.2 P0口作为地址/数据复用总线使用(系统使用外存储器时)控制电路的“控制”端置1，此时与门打开，MUX接向上端(地址/数据)信号。此时，输出端的两个FET都处于正常工作状态。P0口的地址/数据端与外部存储器的低8位地址线相连，在指令周期的前半个周期，传送外部存储器的低8位数据，而后半个指令周期则是把外部内存中的数据传送给CPU。当P0的地址/数据口置1时，控制上拉电路的“与门”输出为1，上端FET导端，同时地址/数据通过反相器输出为0，下端FET截止，地址/数据线输出为1。当P0的地址/数据口置0时，控制上拉电路的“与门”输出为0，上端FET截止，同时地址/数据输出通过反相器输出1，下端FET导通，地址/数据线输出为0。此时，P0口作为地址/数据复用总线使用。上下两个FET处于反相，构成了推位式的输出电路，其负载能力大大增加，因此这时P0端口不用外加上拉电阻。注意：P0口控制端的转换是通过指令进行的，即执行I/O总线操作时，如MOV P0，A，系统自动控制端置0，执行地址操作指令如MOVX，MOVC(EA0时)时，则控制端自动置1。在进行硬件系统的设计时，如果使用了外部存储器时，P0口成为整个系统的地址/数据复用总线，此时P0口不能在作为通用的I/O端口。因此一般情况下，P0作为地址/数据总线。4 P1口综述4.1 P1口的功能 P1口的访问地址是90H，位地址范围是90H97H，P1口可以驱动4个LSTTL负载，因此是准双向I/O口。P1口的功能和P0口的第一功能相同，仅用于传递I/O输入/输出数据。4.2 P1口的结构图3包括输出锁存器输入缓冲器BUF1(读引脚)，BUF2(读锁存器)以及由FET上拉电阻组成的输出/输入驱动器。由图3可见，P1口与P0口的区别在于内部有上拉电阻，所以输出时不用外接上拉电阻，P1口没有地址/数据复用端口，因此没有控制端。4.3 P1口的工作原理P1口只能进行I/O总线操作，即工作原理同P0口作为I/O输入输出口时的工作原理，这里不再叙述。4.4 P1口的多功能线在80C52中，P1.0和P1.1线是多功能的，即除一般双向I/O口线之外，这两根口线还具有下列功能：P1.0定时器/计数器2的外部输入端T2；P1.1定时器/数据线2的外部控制端T2EX。这时，该两位的结构与P3口的位结构相当。5 P2口综述5.1 P2口的功能P2口的访问地址是A0H，位地址范围A0HA7H。P2口最多可以驱动4个LSTTL负载，因此属于准双向口。P2口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。5.2 P2口的结构图 4由图4可看出，由于P2口有了第二功能，则较P1口，P2口增加了一个多路开关，用于控制P2口的工作方式。多路开关的输入有两个：一个是锁存器的输出Q端，另一个是地址寄存器的高位输出端。通过控制端的信号来控制他们的输入。注意：锁存器的输出端是Q而不是/Q，故多路开关之后需接反相器。当控制信号为0时，P2口工作在I/O口状态，多路开关接通锁存器。若内部总线输出0，输出锁存器Q端为0，信号经反相器后输出1，FET导通，输出低电平，若内部总线输出1，则过程与上述相反。当控制信号为1时，P2口工作输出高8位地址，P2口的输出电平将随地址输出的0、1而1、0的变化。5.3 P2口的工作原理5.3.1 P2口的I/O操作P2口的I/O操作与PO口的I/O同，这时不再重述。5.3.2 P2口的地址总线操作P2口可以输出程序存储器或片外数据存储器的高8位地址，与P0输出的低地址一起构成16位地址线，从而可分别寻址64KB的程序存储器或片外数据存储器。5.4 P2口使用中注意的问题(1)一般P2口不用于传送存储器的读写数据，因此P2口无需外加地址锁存器。(2)如果使用256B的外部RAM，此时用8位的寄存器R0或R1作间址寄存器，这时P2口无用，此时P2口仍可以做通用I/O端口，如MOV A，R0或MOV A，R0。如果访问外部ROM或使用大于256B RAM时，P2口必须作为外存储器的高8位地址总线，如MOVX A，DPTR；访问外部数据存储器MOVX A，A+DPTR；访问外部程序存储器，这里使用了16位的寄存器DPTR。6 P3口综述 6.1 P3口功能P3口的访问地址是B0H，位地址范围是B0HB7H，P3口可推动4个LSTTL门，是准双向口。P3口有两个功能：第一功能与其余三个端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每个引脚都不同。P3.0RXD 串行数据接收口P3.1TXD 串行数据发送口P3.2INT0 外中断0输入P3.3INT1 外中断1输入P3.4T0 计数器0计数输入P3.5T1 计数器1计数输入P3.6WR 外部RAM写选通信号P3.7RD 外部RAM读选通信号6.2 P3口的结构图 5由图5可见，P3口的结构与P1口的区别在于：(1)P3口中增加了一个与非门。与非门有两个输入端：一个为锁存器的Q端，另一个为第二功能控制输出。(2)有两个输入缓冲器，第二功能取自第一个缓冲器的输出端。6.3 P3口的工作原理6.3.1 通用I/O模式在通用I/O模式下，“第二输出功能”为1电平，以保证与非门打开，其工作方式与P0口