MCS-51单片机并行口的结构与操作

华中科技大学光学与电子信息学院单片机(2015--2016学年度第一学期)题目：MCS-51单片机并行端口结构与操作院系：光学与电子信息学院班级：学号：学生姓名：指导教师：成绩：日期：2015年9月21日MCS-51单片机并行口的结构与操作一、MCS-51单片机简介MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下：8位CPU、4kbytes程序存储器(ROM)、128bytes的数据存储器(RAM)、32条I/O口线、111条指令，大部分为单字节指令、21个专用寄存器、2个可编程定时/计数器、5个中断源，2个优先级、一个全双工串行通信口、外部数据存储器寻址空间为64kB、外部程序存储器寻址空间为64kB、逻辑操作位寻址功能、双列直插40PinDIP封装、单一+5V电源供电。如图所示：1.结构(1)中央处理单元（8位）数据处理、测试位，置位，复位位操作(2)只读存储器（4KB或8KB）永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM(3)随机存取内存（128B、128BSFR）在程序运行时存储工作变量和资料(4)并行输入/输出口（I/O）（32条）作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片(5)串行输入/输出口（2条）串行通信、扩展I/O接口芯片(6)定时/计数器（16位、加1计数）计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与CPU之间独立工作(7)时钟电路内振、外振。(8)中断系统五个中断源、2级优先。2、MCS-51系列单片机为哈佛结构（而非普林斯顿结构）1）内ROM：4KB2）内RAM：128B3）外ROM：64KB4）外RAM：64KB5）I/O线：32根（4组，每组8根）6）定时/计数器：2个16位可编程定时/计数器7）串行口：全双工，2根8）寄存器区：工作寄存器区、在内128BRAM中，分4个区，9）中断源：5源中断，2级优先10）堆栈：最深128B11）布尔处理机：位处理机，某位单独处理12）指令系统：五大类，111条二、MCS-51单片机P0端口的结构与工作原理1、P0端口的结构P0口是一个8位漏极开路双向I/O口，其位置结构如图所示，包括1个输出锁存器、2个三态缓冲器、一个输出驱动器和一个输出控制端。输出驱动器电路由一队场效应管组成，期工作状态受输出控制端控制，它包括1个与门、1个反相器和一个转换开关MUX。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。2、P0端口的工作原理1）P0口作为地址/数据复用总线使用（C=1）若从P0口输出地址或数据信息，此时控制端C应该为高电平。转换开关MUX将反相器输出端与输出级T1管接通，同时与门开锁，内部总线上的地址或数据信号通过与门去驱动T0管，又通过反相器去驱动T1管，这时内部总线上的地址或数据信号就传送到P0口的引脚上。若从P0口输入指令或数据，引脚信号应从三态缓冲器进入内部总线。在访问外部存储器时，它是分时多路转换器的地址（低8位）和数据总线，不需要外接上拉电阻。在EEPROM编程时，它接受指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。2）作为I/O端口使用对于有内部ROM型的单片机，P0口也可以作为通用I/O口此时控制端C为低电平。转换开关把输出级与锁存器Q端接通，同时因为与门输出为低电平，输出级T0管处于截止状态，输出级为漏电级开路电路，在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻。作为输出口时，应该现将锁存器写1，这时输出级两个场效应管截止，可作为高阻输入，通过三态输入缓存器读取引脚信号，从而完成输入操作。三、MCS-51单片机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。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。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、MCS-51单片机P2端口的结构及工作原理P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在结构上P2比P1口多一个输出控制部分。1）P2口作为通用I/O口使用（C=0)当P2作为通用I/O口使用时，是一个准双向口，此时转换器开关MUX倒向左边，输出级与锁存器接通，引脚可接I/O设备，其输入/输出操作与P1完全相同。2）P2口作为地址/数据复用总线使用（C=1）当系统中接有外部存储器时，P2口用于输出高8位地址A15~A8。这时在CPU的控制下，转换开关MUX倒向左边，接通内部地址总线，P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息，这些地址总线信息来源于PCH、DPH。在外部程序存储器的系统中，由于访问外部存储器的操作不断，P2口不断送出地址高8位，所以P2口一般只作为地址总线口使用。在不接外部程序存储器而接有外部数据存储器的系统中，情况会有所不同。若外部数据存储容量为256B，则可使用MOVX@DPTR类，指令由P0口和P2口送出16位地址。在读写期间内，P2口引脚上将保持地址信息，但从结构可知，输出地址时，并不要求P2口锁存1，锁存器内容也不会在送地址信息时改变，故访问外部数据存储器周期结束后P2口仍然可以在一定的限度内作为一般I/O口使用。三、MCS-51单片机P3端口的结构及工作原理P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，可以同P1口一样作为第一功能口，也可以每一位独立定义功能，其结构图如图所示。1）P3口作为第一功能口使用P3口作通用I/O口使用时，输出功能控制线为高电平，与非门的输出取决于锁存器的状态，此时锁存器Q端的状态与其引脚状态是一致的，这种情况下，P3口的结构和操作与P1口相同。2）P3口作为第二功能口使用P3口的第二功能实际上就是系统的功能控制线。此时相应的口线锁存器必须为1状态，与非门的输出由第二功能输出的功能线确定，相应的，P3口线的状态取决于第二输出功能线的电平。在P3口的引脚信号输入通道中有两个缓冲器，第二功能的输入信号取自第一个缓冲器的输出端，第二个缓冲器仍然是第一功能的度引脚信号缓冲器。四、总结综上所述，四个接口工作的一般特性。P0口为3态双向口，P1、P2、P3含内部上拉电阻，只有锁存器置1时方能作输入口用，故为准双向口。P1口无第二工功能，只作I/O口用，而P0、P2、P3除可作为一般I/O口外，还有第二功能。MCS—51单片机引脚中没有专门的地址总线和数据总线，在外扩存储器和接口时，由P2口输出地址总线的高8位A15~A8，由P0口输出地址总线的低8位A7~A0.同时，对P0口采用了总线复位技术，P0口又兼作8位双向数据总线D7~D0,即由P0分时输出低8位地址或输入/输出8位数据。在不作总线扩展使用时，P0口和P2口可以作普通口I/O使用。P0口作为低8位地址总线和8位数据总线使用时，内部控制信号使MUX开头倒向上端,从而使地址/数据信号通过输出驱动器输出。当外部存储器读写时，P0口就用作低8位地址和数据总线。这时P0口才是一个真正的双向口。P2口还可以作为高8位地址总线使用,同样通过MUX开头的倒换来完成。P2在外部存储器读写时（地址大于FFH)作为高8位地址线使用。P3口的每一位都有各自的第二功能。四个端口的负载能力也不相同。P1、P2、P3口都能驱动四个LSTTL负载并且不需外加电阻就能直接驱动MOS电路。P0口能驱动8个LSTTL负载。驱动电路时若作为地址/数据总线,可以直接驱动,而作为I/O口时,需外接上拉电阻,才能驱动MOS电路。五、参考资料【1】《单片机原理及应用》徐汉斌熊才高主编【2】网上资料