2.2 8051单片机I/O端口的结构与工作原理
单片机的I/O端口是输入信号和输出信号的通道。8051单片机有P0、P1、P2、P34组I/O端口，每组端口有8个引脚。要学好单片机技术，应了解这些端口内部电路结构与工作原理。
2.2.1 P0端口
P0端口有P0.0～P0.7共8个引脚，这些引脚除了可用作输入引脚和输出引脚外，在外接存储器时，还可用作地址数据总线引脚。P0端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-4所示。
（1）P0端口用作输出端口的工作原理
以单片机需要从P0.x引脚输出高电平“1”为例。单片机内部相关电路通过控制线送出“0（低电平）”到与门的一个输入端和电子开关的控制端，控制线上的“0”一方面使与门关闭（即与门的一端为“0”时，不管另一端输入何种信号，输出都为“0”），晶体管VT1栅极为“0”处于截止，地址/数据线送来的信号无法通过与门和晶体管VT1；控制线上的“0”另一方面控制电子开关，让电子开关与锁存器的
端连接。CPU再从内部总线送高电平“1”到锁存器的D端，同时往锁存器的CL端送写锁存器信号，D端的“1”马上存入锁存器并从Q和
端输出，D端输入“1”，Q端输出“1”，
端则输出“0”，
端输出“0”经电子开关送到晶体管VT2的栅极，VT2截止，由于VT1也处于截止，P0.x引脚处于悬浮状态，因此需要在P0.x引脚上接上拉电阻，在VT2截止时，P0.x引脚输出高电平。
图2-4 P0端口的内部电路结构
也就是说，当单片机需要将P0端口用作输出端口时，内部CPU会送控制信号“0”到与门和电子开关，与门关闭（上晶体管VT1同时截止，将地址/数据线与输出电路隔开），电子开关将锁存器与输出电路连接，然后CPU通过内部总线往P0端口锁存器送数据和写锁存器信号，数据通过锁存器、电子开关和输出电路从P0端口的引脚输出。
在P0端口用作输出端口时，内部输出电路的上晶体管处于截止（开路）状态，下晶体管的漏极处于开路状态（称为晶体管开漏），因此需要在P0端口引脚接外部上拉电阻，否则无法可靠输出“1”或“0”。
（2）P0端口用作输入端口的工作原理
当单片机需要将P0端口用作输入端口时，内部CPU会先往P0端口锁存器写入“1”（往锁存器D端送“1”，同时给CL端送写锁存器信号），让
=0，VT2截止，关闭输出电路。P0端口引脚输入的信号送到输入三态门的输入端，此时CPU再给三态门的控制端送读引脚控制信号，输入三态门打开，P0端口引脚输入的信号就可以通过三态门送到内部总线。
如果单片机的CPU需要读取P0端口锁存器的值（或称读取锁存器存储的数据），会送读锁存器控制信号到三态门（上方的三态门），三态门打开，P0锁存器的值（Q值）给三态门送到内部总线。
（3）P0端口用作地址/数据总线的工作原理
如果要将P0端口用作地址/数据总线，单片机内部相关电路会通过控制线发出“1”，让与门打开，让电子开关和非门输出端连接。当内部地址/数据线为“1”时，“1”一方面通过与门送到VT1的栅极，VT1导通，另一方面送到非门，反相后变为“0”，经电子开关送到VT2的栅极，VT2截止，VT1导通，P0端口引脚输出为“1”；当内部地址/数据线为“0”时，VT1截止，VT2导通，P0端口引脚输出“0”。
也就是说，当单片机需要将P0端口用作地址/数据总线时，CPU会给与门和电子开关的控制端送“1”，与门打开，将内部地址/数据线与输出电路的上晶体管VT1接通，电子开关切断输出电路与锁存器的连接，同时将内部地址/数据线经非门反相后与输出电路的下晶体管VT1接通，这样VT1、VT2状态相反，让P0端口引脚能稳定输出数据或地址信号（1或0）。
2.2.2 P1端口
P1端口有P1.0～P1.7共8个引脚，这些引脚可作输入引脚和输出引脚。P1端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-5所示。P1端口的结构较P0端口简单很多，其输出电路采用了一个晶体管，在晶体管的漏极接了一只内部上拉电阻，所以在P1端口引脚外部可以不接上拉电阻。
图2-5 P1端口内部电路结构
（1）P1端口用作输出端口的工作原理
当需要将P1端口用作输出端口时，单片机内部相关电路除了会往锁存器的D端送数据外，还会往锁存器CL端送写锁存器信号，内部总线送来的数据通过D端进入锁存器并从Q和
端输出，如D端输入“1”，则
端输出“0”（Q端输出“1”），
端的“0”送到晶体管的栅极，晶体管截止，从P1端口引脚输出“1”。
（2）P1端口用作输入端口的工作原理
当需要将P1端口用作输入端口时，单片机内部相关电路会先往P1锁存器写“1”，让Q=1、
=0，
=0会使晶体管截止，关闭P1端口的输出电路，然后CPU往输入三态门控制端送一个读引脚控制信号，输入三态门打开，从P1端口引脚输入的信号经输入三态门送到内部总线。
2.2.3 P2端口
P2端口有P2.0～P2.7共8个引脚，这些引脚除了可用作输入引脚和输出引脚外，在外接存储器时，还可用作地址总线（高8位）引脚。P2端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-6所示。
图2-6 P2端口内部电路结构
（1）P2端口用作输入/输出（I/O）端口的工作原理
当需要将P2端口用作I/O端口时，单片机内部相关电路会送控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与P2锁存器的Q端连接。
若要将P2端口用作输出端口，CPU会通过内部总线将数据送到锁存器的D端，同时给锁存器的CL端送写锁存器信号，D端数据存入锁存器并从Q端输出，再通过电子开关、非门和晶体管从P2端口引脚输出。
若要将P2端口用作输入端口，CPU会先往P2锁存器写“1”，让Q=1、
=0，Q=1会使晶体管截止，关闭P2端口的输出电路，然后CPU往输入三态门控制端送一个读引脚控制信号，输入三态门打开，从P2端口引脚输入的信号经输入三态门送到内部总线。
（2）P2端口用作地址总线引脚的工作原理
如果要将P2端口用作地址总线引脚，单片机内部相关电路会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与内部地址线接通，地址总线上的信号就可以通过电子开关、非门和晶体管后从P2端口引脚输出。
2.2.4 P3端口
P3端口有P3.0～P3.7共8个引脚，P3端口除了可用作输入引脚和输出引脚外，还具有第二功能。P3端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-7所示。
图2-7 P3端口内部电路结构
（1）P3端口用作I/O端口的工作原理
当需要将P3端口用作I/O端口时，单片机内部相关电路会送出“1”到与非门的一个输入端（第二功能输出端），打开与非门（与非门的特点是：一个输入端为“1”时，输出端与另一个输入端状态始终相反）。
若要将P3端口用作输出端口，CPU给锁存器的CL端送写锁存器信号，内部总线送来的数据通过D端进入锁存器并从Q端输出，再通过与非门和晶体管两次反相后从P3端口引脚输出。
若要将P2端口用作输入端口，CPU会先往P3锁存器写“1”，让Q=1，与非门输出“0”，晶体管截止，关闭P3端口的输出电路，然后CPU往输入三态门控制端送一个读引脚控制信号，输入三态门打开，从P3端口引脚输入的信号经过输入缓冲器和输入三态门送到内部总线。
（2）当P3端口用作第二功能时
P3端口的每个引脚都有第二功能，具体见表2-1。P0端口用作第二功能（又称复用功能）时，实际上也是在该端口输入或输出信号，只不过输入、输出的是一些特殊功能的信号。
表2-1 8051单片机P3端口各引脚的第二功能
当单片机需要将P3端口用作第二功能输出信号（如RD、WR信号）时，CPU会先往P3锁存器写“1”，Q=1，它送到与非门的一个输入端，与非门打开，内部的第二功能输出信号送到与非门的另一个输入端，反相后输出去晶体管的栅极，经晶体管再次反相后从P0端口引脚输出。
当单片机需要将P3端口用作第二功能输入信号（如T0、T1信号）时，CPU也会往P3锁存器写“1”，Q=1，同时第二功能输出端也为“1”，与非门输出为“0”，晶体管截止，关闭输出电路，P0端口引脚输入的第二功能信号经输入缓冲器送往特定的电路（如T0、T1计数器）。