51單片機(jī)GPIO結(jié)構(gòu)框圖與工作原理

前言

不論學(xué)習(xí)什么單片機(jī)，最簡單的外設(shè)莫過于IO 口的高低電平控制，本教程將向大家介紹如何在創(chuàng)建好的工程模板上通過操作51 單片機(jī)的GPIO 口輸出高低電平。

一、GPIO 概念

GPIO（general purpose intput output）是通用輸入輸出端口的簡稱，可以通過軟件來控制其輸入和輸出。51 單片機(jī)芯片的GPIO 引腳與外部設(shè)備連接起來，從而實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。不過GPIO 最簡單的應(yīng)用還屬點(diǎn)亮LED 燈了，只需通過軟件控制GPIO 輸出高低電平即可。當(dāng)然GPIO還可以作為輸入控制，比如在引腳上接入一個(gè)按鍵，通過電平的高低判斷按鍵是否按下。

我們開發(fā)板上使用的51 單片機(jī)型號是STC89C52 或STC89C516，此芯片共有40 引腳，芯片引腳圖如下圖所示：

那么是不是所有引腳都是GPIO 呢？當(dāng)然不是，51 單片機(jī)引腳可以分為這么幾大類：

（1）電源引腳：引腳圖中的VCC、GND 都屬于電源引腳。

（2）晶振引腳：引腳圖中的XTAL1、XTAL2 都屬于晶振引腳。

（3）復(fù)位引腳：引腳圖中的RST/VPD 屬于復(fù)位引腳，不做其他功能使用。

（4）下載引腳：51 單片機(jī)的串口功能引腳（TXD、RXD）可以作為下載引腳使用。

（5） GPIO 引腳：引腳圖中帶有Px.x 等字樣的均屬于GPIO 引腳。從引腳圖可以看出，GPIO 占用了芯片大部分的引腳，共達(dá)32 個(gè)，分為了4 組，P0、P1、P2、P3，每組為8 個(gè)IO，而且在P3 組中每個(gè)IO 都具備額外功能，只要通過相應(yīng)的寄存器設(shè)置即可配置對應(yīng)的附加功能，同一時(shí)刻，每個(gè)引腳只能使用該引腳的一個(gè)功能。

對于這么多GPIO 管腳，我們怎么知道具體某個(gè)引腳有什么功能呢？很簡單，可以查閱STC89CXX 芯片數(shù)據(jù)手冊獲取信息，數(shù)據(jù)手冊在我們光盤“6--芯片資料開發(fā)板芯片數(shù)據(jù)手冊”內(nèi)，里面有一個(gè)STC89CXX 數(shù)據(jù)手冊.pdf。里面的第23 頁中就有介紹，我們截取了一部分內(nèi)容如下圖所示：

從上圖中我們可以獲取引腳的名字和引腳功能等信息。這個(gè)我們開發(fā)板芯片原理圖內(nèi)已經(jīng)將引腳所有功能都標(biāo)進(jìn)去了，所以后面也不需要查找具體引腳有什么功能，直接看原理圖即可。

二、GPIO 結(jié)構(gòu)框圖與工作原理

我們使用的51 單片機(jī)GPIO 分為P0、P1、P2 和P3 口，下面分別來介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖與工作原理。

1.P0 端口

P0 端口含有8 位引腳，下圖為其中一個(gè)，其它幾個(gè)與之完全一致，因此只需了解當(dāng)中一個(gè)即可。如下圖所示：

由上圖可見，P0 端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開關(guān)、一個(gè)非門、一個(gè)與非門及場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。再看圖的最右邊，標(biāo)號為P0.x 引腳的圖標(biāo)，也就是說P0.x 引腳可以是P0.0 到P0.7 的任何一位，即在P0 口有8 個(gè)與上圖相同的電路組成。

下面，我們先就組成P0 口的每個(gè)單元部份跟大家介紹一下：

①輸入緩沖器

在P0 口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，在學(xué)數(shù)字電路時(shí)，我們已知道，三態(tài)門有三個(gè)狀態(tài)，即在輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種就是高阻狀態(tài)（或稱為禁止?fàn)顟B(tài)），大家看上圖，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)，那就得使讀鎖存器的這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端（上圖中標(biāo)號為‘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)號為‘讀引腳’的這個(gè)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)轿覀儐纹瑱C(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。

②D 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)序的單元電路在學(xué)數(shù)字電路時(shí)我們已知道，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位的二進(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。大家看上圖中的D 鎖存器，D 端是數(shù)據(jù)輸入端，CP（CLK）是控制端（也就是時(shí)序控制信號輸入端），Q 是輸出端，Q 非是反向輸出端。對于D 觸發(fā)器來講，當(dāng)D 輸入端有一個(gè)輸入信號，如果這時(shí)控制端CP 沒有信號（也就是時(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Q 非的。如果時(shí)序控制端CP 的時(shí)序脈沖一旦到了，這時(shí)D 端輸入的數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)絈 及Q 非端。數(shù)據(jù)傳送過來后，當(dāng)CP 時(shí)序控制端的時(shí)序信號消失了，這時(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)鎖存起來了）。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號來了，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)部的存儲器夠用（也就是不需要外擴(kuò)展存儲器時(shí)，這里講的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器及程序存儲器）時(shí)，P0 口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對于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)部的存儲器容量，需要外擴(kuò)存儲器時(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)就是用于選擇是做為普通I/O 口使用還是作為‘?dāng)?shù)據(jù)/地址’總線使用的選擇開關(guān)了。大家看上圖，當(dāng)多路開關(guān)與下面接通時(shí)，P0 口是作為普通的I/O 口使用的，當(dāng)多路開關(guān)是與上面接通時(shí)，P0 口是作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線使用的。

④場效應(yīng)管輸出驅(qū)動(dòng)

從上圖中可以看出，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)V1 導(dǎo)通時(shí)，V2 就截止，當(dāng)V2 導(dǎo)通時(shí)，V1 截止。

⑤與非門、非門

這個(gè)在學(xué)習(xí)數(shù)字電路時(shí)也很好理解，如果沒有數(shù)字電路基礎(chǔ)的用戶，可以百度查找與非門、非門以及前面的D 觸發(fā)器詳細(xì)了解，這里就不再過多敘述。當(dāng)然如果搞不明白這些也不會(huì)影響后續(xù)我們學(xué)習(xí)51 單片機(jī)編程，大家也可以忽略。前面我們已將P0 口的各單元部件進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的講解，下面我們就來研究一下P0 口做為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 端口輸出使用時(shí)的工作原理

P0 口作為I/O 端口使用時(shí)，多路開關(guān)的控制信號為0（低電平），看上圖中的紅線部分，多路開關(guān)的控制信號同時(shí)與與非門的一個(gè)輸入端是相接的，我們知道與門的邏輯特點(diǎn)是“全1 出1，有0 出0”那么控制信號是0 的話，這時(shí)與門輸出的也是一個(gè)0（低電平），與門的輸出是0，V1 管就截止，在多路控制開關(guān)的控制信號是0（低電平）時(shí)，多路開關(guān)是與鎖存器的Q 非端相接的（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：當(dāng)寫鎖存器信號CP 有效，數(shù)據(jù)總線的信號→鎖存器的輸入端→D 鎖存器的反向輸出Q 非端→多路開關(guān)→V2 管的柵極→V2 的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當(dāng)多路開關(guān)的控制信號為低電平0 時(shí)，與門輸出為低電平，V1 管是截止的，所以作為輸出口時(shí)，P0 是漏極開路輸出，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。

下圖就是由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線向P0 口輸出數(shù)據(jù)的流程圖（紅色箭頭）：

p0口只能輸出低電平，如果輸出高電平就要外接上拉電阻（4.7k-10k）

（2）作為I/O 端口輸入使用時(shí)的工作原理

數(shù)據(jù)輸入時(shí)（讀P0 口）有兩種情況：

1、讀引腳

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，請看下圖（紅色箭頭）。

2、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)，請看下圖（紅色箭頭）

因?yàn)楝F(xiàn)在STC 51 單片機(jī)內(nèi)存已經(jīng)足夠使用，所以也用不到通過P0 口外擴(kuò)存儲器，對于P0 口作為外擴(kuò)存儲器時(shí)的工作原理這里就不敘述，如需了解的朋友可以上網(wǎng)百度。

2.P1 端口

P1 口的結(jié)構(gòu)最簡單，用途也單一，僅作為數(shù)據(jù)輸入/輸出端口使用。輸出的信息有鎖存，輸入有讀引腳和讀鎖存器之分。P1 端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖：

由圖可見，P1 端口與P0 端口的主要差別在于，P1 端口用內(nèi)部上拉電阻R 代替了P0 端口的場效應(yīng)管V1，并且輸出的信息僅來自內(nèi)部總線。由內(nèi)部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器反相和場效應(yīng)管反相后，鎖存在端口線上，所以，P1 端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口。

由上圖可見，要正確地從引腳上讀入外部信息，必須先使場效應(yīng)管關(guān)斷，以便由外部輸入的信息確定引腳的狀態(tài)。為此，在作引腳讀入前，必須先對該端口寫入l。具有這種操作特點(diǎn)的輸入/輸出端口，稱為準(zhǔn)雙向I/O 口。8051 單片機(jī)的P1、P2、P3 都是準(zhǔn)雙向口。P0 端口由于輸出有三態(tài)功能，輸入前，端口線已處于高阻態(tài)，無需先寫入l 后再作讀操作。

P1 口的結(jié)構(gòu)相對簡單，前面我們已詳細(xì)的分析了P0 口，只要大家認(rèn)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，這里我就不多論述了。單片機(jī)復(fù)位后，各個(gè)端口已自動(dòng)地被寫入了1，此時(shí)，可直接作輸入操作。

如果在應(yīng)用端口的過程中，已向P1 一P3 端口線輸出過0，則再要輸入時(shí)，必須先寫1 后再讀引腳，才能得到正確的信息。此外，隨輸入指令的不同，P1 端口

也有讀鎖存器與讀引腳之分。

3.P2 端口

P2 端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖：

由圖可見，P2 端口在片內(nèi)既有上拉電阻，又有切換開關(guān)MUX，所以P2 端口在功能上兼有P0 端口和P1 端口的特點(diǎn)。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當(dāng)切換開關(guān)向下接通時(shí)，從內(nèi)部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經(jīng)反相器和場效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上；當(dāng)多路開關(guān)向上時(shí)，輸出的一位地址信號也經(jīng)反相器和場效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上。

對于8031 單片機(jī)必須外接程序存儲器才能構(gòu)成應(yīng)用電路（或者我們的應(yīng)用電路擴(kuò)展了外部存儲器），而P2 端口就是用來周期性地輸出從外存中取指令的地址(高8 位地址)，因此，P2 端口的多路開關(guān)總是在進(jìn)行切換，分時(shí)地輸出從內(nèi)部總線來的數(shù)據(jù)和從地址信號線上來的地址。因此P2 端口是動(dòng)態(tài)的I/O 端口。輸出數(shù)據(jù)雖被鎖存，但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。其實(shí)，這里輸出的數(shù)據(jù)往往也是一種地址，只不過是外部RAM 的高8 位地址。P2 口既可作為I/O 口使用，也可作為地址總線使用，通常主要用作I/O 口使用，地址總線使用不作分析。

P2 口的結(jié)構(gòu)相對簡單，前面我們已詳細(xì)的分析了P0 和P1 口，只要大家認(rèn)真的分析了它們的工作原理，P2 口我想大家都有能力去分析，這里我就不多論述了。

3.P3 端口

P3 口是一個(gè)多功能口，它除了可以作為I/O 口外，還具有第二功能，P3 端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖：

由上圖可見，P3 端口和Pl 端口的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅在于P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。當(dāng)處于第一功能時(shí)，第二輸出功能線為1，此時(shí)，內(nèi)部總線信號經(jīng)鎖存器和場效應(yīng)管輸入/輸出，其作用與P1 端口作用相同，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向I/O 端口。當(dāng)處于第二功能時(shí)，鎖存器輸出1，通過第二輸出功能線輸出特定的內(nèi)含信號，在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號，還可以通過替代輸入功能讀入片內(nèi)的特定第二功能信號。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故P3 端口為靜態(tài)雙功能端口。有關(guān)P3 口第二功能，在前面章節(jié)芯片管腳功能定義已經(jīng)講解過，此處不再重復(fù)。

至此，我們就把51 單片機(jī)的P0、P1、P2 和P3 口內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理講解完，可能有的朋友會(huì)很懵、看不懂，沒關(guān)系，這些都不會(huì)影響你編寫單片機(jī)應(yīng)用程序，大家記住以下幾點(diǎn)即可：

①P0 口是漏極開路，要使其輸出高電平，必須外接上拉電阻，通常選擇4.7K~10K 阻值。

②P0、P1、P2 幾乎都用作普通I/O 口使用，既可作為輸入，又可作為輸出。

③P3 口既可用作普通I/O 口，又可作為第二功能使用，比如串口、外部中斷、計(jì)數(shù)器等。