MCS-51單片機4個并行I/O端口引腳的內部結構如圖2-10所示，每個端口有8個相互獨立且內部結構完全相同的引腳。圖2-10中的字母X代表引腳序號，是0~7的整數。接下來將分別介紹P0、P1、P2和P3口的引腳特性。

圖2-10 MCS-51單片機4個并行口的引腳電路結構

a)P0口的引腳結構b)P1口的引腳結構c)P2口的引腳結構d)P3口的引腳結構

2.4.1 P0口的引腳特性

P0口的字節(jié)地址是80H，可以按位尋址，引腳P0.1~P0.7的位地址為80H~87H。如圖2-10a所示，P0口每個引腳電路均由鎖存器、三態(tài)緩沖器(三態(tài)門1和三態(tài)門2)、多路選擇器MUX、“與”門、“非”門和場效應晶體管(VF1和VF2)構成。P0口既可以作普通I/O口(GeneralPurpose I/O Port，GPIO)使用，也可作為地址/數據總線分時復用。

1.P0口作為普通I/O口

P0口作為普通I/O口時，“控制”信號必須為低電平。“控制”信號為0，一方面使得柵極連接至“與”門輸出端的場效應晶體管VF1截止;另一方面使得多路選擇器MUX將鎖存器反向輸出端Q與場效應晶體管VF2的柵極相連。

(1)輸出功能

P0口引腳輸出數據0時，CPU向內部總線寫低電平，使鎖存器的Q端和Q端分別為0和1;Q端的1使得場效應晶體管VF2導通，從而使P0.X引腳接地、輸出低電平。P0口輸出數據1時，CPU向內部總線寫高電平，使鎖存器的Q端和Q端分別為1和0;Q端的0使得場效應晶體管VF2截止，同時由于VF1也截止，所以P0.X引腳為高阻態(tài)，因此為了使P0.X引腳輸出高電平必須在該引腳外接上拉電阻，即：使該引腳通過上拉電阻連接至電源Vcc。

(2)輸入功能

從P0口引腳讀取數據時，必須先向該引腳的鎖存器寫1，使場效應晶體管VF2截止，使P0.X引腳處于高阻態(tài)，否則將無法正確讀取引腳信號。因為，如果恰好在讀引腳信號之前，剛剛向該引腳的鎖存器寫過低電平，則VF2導通，使得P0.X引腳接地，無論P0.X引腳外接信號電平是高電平還是低電平，都將被當作低電平讀取。

因為，在讀P0口引腳信號之前，必須先向該引腳寫1，所以，P0口不是真正的雙向I/O端口，而被稱為準雙向I/O端口。

P0口的讀操作有兩種，一種是通過緩沖器2“讀引腳”，另一種是通過緩沖器1“讀鎖存器”。當單片機執(zhí)行“讀-修改-寫”這類指令時，將產生“讀鎖存器”操作，否則將直接“讀引腳”。下面將通過實際例子，解釋“讀-修改-寫”的含義。

指令“ANL P0,A”就是一條典型的“讀-修改-寫”P0口的指令。該指令執(zhí)行時，單片機首先發(fā)出“讀鎖存器”信號，讀取P0口的鎖存器，然后將讀取的數據與累加器A中的數據進行“與”運算，之后將運算結果寫入P0口鎖存器，并最終送到P0口的引腳上。在“讀-修改-寫”過程中，讀取鎖存器而非引腳的目的是，避免之前輸出到引腳的數據被外部操作改變而影響處理結果。

指令“MOV A,P0”不是“讀-修改-寫”指令，該指令執(zhí)行時發(fā)出“讀引腳”信號，直接將P0口的引腳狀態(tài)通過緩沖器2送入累加器A。

2.P0口地址/數據分時復用

單片機訪問片外RAM、片外ROM和片外輸入/輸出(I/O)接口時，需要傳輸地址和數據。此時，P0口和P2口作為地址總線，分別傳送地址的低8位和高8位;另外，P0口還分時復用為數據總線，用于數據傳輸。

(1)輸出地址/數據功能

P0口輸出地址/數據時，“控制”信號必須為高電平。如圖2-10a所示，當“控制”信號為1時，被“非”門取反的“地址/數據”信號經多路選擇器MUX與VF2的柵極相連;此時VF1柵極的電平狀態(tài)完全由“地址/數據”信號決定。

若輸出“地址/數據”為1，則VF2截止、VF1導通，從而使P0.X輸出高電平;反之，若輸出的“地址/數據”為0，則VF2導通，VF1截止，使P0.X為低電平。

需要強調的是，作為地址總線時，P0是單向引腳，只能輸出。另外，在地址/數據分時復用模式下，P0口輸出高電平時，不需要外接上拉電阻。

(2)輸入數據功能

在地址/數據分時復用模式下，作數據輸入口時，引腳內的“控制”信號為低電平，使VF1截止、鎖存器的Q端與VF2的柵極相連。在讀取數據之前，CPU會自動向P0口的鎖存器寫入0FFH，以使VF2截止，P0.X引腳處于高阻態(tài)。同時，來自于片外數據存儲器、程序存儲器或I/O接口的數據，通過緩沖器2讀入內部總線。

可見，在地址/數據分時復用時，P0口輸入數據前CPU自動向鎖存器寫高電平使VF2截止，并且輸出高電平“地址/數據”時也不需要外接上拉電阻。因此，此時的P0口才是真正的雙向I/O口。

P1口的引腳特性

P1口的字節(jié)地址是90H，可以按位尋址，引腳P1.1~P1.7的位地址為90H~97H。P1口電路由鎖存器、三態(tài)緩沖器1和2、場效應晶體管VF和內部上拉電阻組成，如圖2-10b所示。P1口只能作為普通I/O口使用，并且是準雙向I/O口。

1.輸出功能

在P1口輸出低電平時，CPU通過內部總線向鎖存器寫低電平，鎖存器Q端為高電平，與Q端相連的場效應晶體管VF導通，從而使P1口引腳接地、為低電平。輸出高電平時，CPU向P1鎖存器寫高電平，鎖存器Q端為低電平，使得VF截止、處于高阻態(tài)，因為P1口通過內部上拉電阻與電源相連，所以輸出高電平。

2.輸入功能

與作為“普通I/O口”的P0引腳相似，P1.X引腳作為輸入引腳時，也需要預先通過指令向P1.X引腳寫高電平，使場效應晶體管VF截止;然后，再執(zhí)行讀取指令，令“讀引腳”信號為高電平，P1.X引腳的電平信號通過三態(tài)緩沖器2進入內部總線。

因為，讀P1口引腳之前需要預先通過指令向引腳鎖存器寫高電平，所以P1口不是真正的雙向I/O口，而是準雙向I/O口。

P2口的引腳特性

P2口的引腳電路結構如圖2-10c所示，由鎖存器、三態(tài)緩沖器1和2、多路選擇器MUX、“非”門、場效應晶體管VF和內部上拉電阻組成。P2口可以作為普通I/O口使用，也可以在擴展外部數據存儲器、程序存儲器或I/O接口時，作為地址總線傳輸高8位地址。

1.P2口作為普通I/O口

P2口作普通I/O口時，“控制”信號必須為低電平，使得多路選擇器MUX切換至鎖存器的Q端。

(1)輸出功能

輸出低電平時，通過內部總線向鎖存器寫低電平，鎖存器Q端的低電平通過MUX后被“非”門取反，取反后的高電平使VF導通，進而使P2.X引腳接地并輸出低電平。輸出高電平時，向鎖存器寫高電平，鎖存器Q端的高電平經MUX過后被“非”門取反，并使VF截止，從而使經內部上拉電阻與電源相連的P2.X引腳輸出高電平。

(2)輸入功能

與P0口和P1口類似，P2口作為普通I/O口輸入端時，首先，需要通過指令向鎖存器寫入1，使場效應晶體管VF截止;然后，執(zhí)行讀指令，CPU使“讀引腳”信號為高電平，打開三態(tài)緩沖器2，使P2.X引腳信號進入內部總線。

2.P2口作為地址總線

P2口作為地址總線時，“控制”信號必須為高電平，使多路選擇器MUX切換到“地址”信號端。作為地址總線，P2口只能輸出，不能輸入。當輸出地址時，若地址是1，則“地址”信號端為高電平，該高電平被“非”門取反后成為低電平，從而使VF截止，P2.X引腳經內部上拉電阻與Vcc相連，輸出高電平;若地址是0，則“地址”信號端為低電平，使得VF導通，從而使P2.X引腳接地，輸出低電平。

P3口的引腳特性

P3口的引腳電路結構如圖2-10d所示，由鎖存器、三態(tài)緩沖器1和2、“與非”門、場效應晶體管VF和內部上拉電阻組成。P3口是準雙向I/O口，除了可以作為普通I/O口使用，還有第二功能。

1.P3口作為普通I/O口

(1)輸出功能

P3口作為普通I/O口進行輸出時，“第二輸出功能”信號必須為1，鎖存器Q端被“與非”門取反后，連接至場效應晶體管VF的柵極。若輸出1，則1經內部總線寫入鎖存器，鎖存器Q端輸出的高電平經“與非”門取反后，使得VF截止，進而使經過內部上拉電阻連接至Vcc的P3.X引腳輸出高電平;若輸出0，則0寫入鎖存器后，經“與非”門取反，使得場效應晶體管VF導通，從而使P3.X引腳接地、輸出低電平。

(2)輸入功能

P3口作為普通I/O口進行輸入時，首先，必須通過指令向P3.X鎖存器寫1，使鎖存器Q端為高電平，“與非”門輸出的低電平使VF截止，在內部上拉電阻作用下，P3.X引腳處于高電平狀態(tài);然后，執(zhí)行指令讀P3.X引腳，CPU使“讀引腳”信號為高電平，P3.X引腳信號先后經過緩沖3和2進入內部總線。

2.P3口作為第二功能

(1)輸出功能

在第二功能輸出狀態(tài)下，CPU會自動向P3.X的鎖存器寫1，使Q端為高電平，此時“與非”門對于“第二輸出功能”信號來說相當于一個非門。而第二功能信號，如RD、WR和TXD信號等，將從P3.X引腳輸出。若“第二輸出功能”信號為高電平，則“與非”門輸出為低電平，使VF截止，使得P3.X經上拉電阻接至Vcc，從而輸出高電平;反之，則“與非”門輸出高電平，使VF導通，P3.X引腳接地、輸出低電平。

(2)輸入功能

在第二功能輸入時，CPU會自動向P3.X的鎖存器寫1，使Q端為高電平，同時令“第二輸出功能”信號為高電平，使得“與非”門輸出為低電平，將VF截止。此時，讀取的P3.X引腳信號將通過緩沖器3，并由“第二輸入功能”線進入單片機內部的功能模塊，如定時/計數器模塊、串口模塊和外部中斷模塊等。因為，第二功能的輸入信號僅與單片機內部功能模塊的硬件電路有關，與CPU無關，所以不會通過三態(tài)緩沖器2進入內部總線。