前言

不論學習什么單片機，最簡單的外設莫過于IO 口的高低電平控制，本教程將向大家介紹如何在創建好的工程模板上通過操作51 單片機的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 單片機芯片的GPIO 引腳與外部設備連接起來，從而實現與外部通訊、控制以及數據采集的功能。不過GPIO 最簡單的應用還屬點亮LED 燈了，只需通過軟件控制GPIO 輸出高低電平即可。當然GPIO還可以作為輸入控制，比如在引腳上接入一個按鍵，通過電平的高低判斷按鍵是否按下。

我們開發板上使用的51 單片機型號是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？當然不是，51 單片機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）復位引腳：引腳圖中的RST/VPD 屬于復位引腳，不做其他功能使用。

（4）下載引腳：51 單片機的串口功能引腳（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32 個，分為了4 組，P0、P1、P2、P3，每組為8 個IO，而且在P3 組中每個IO 都具備額外功能，只要通過相應的寄存器設置即可配置對應的附加功能，同一時刻，每個引腳只能使用該引腳的一個功能。

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

從上圖中我們可以獲取引腳的名字和引腳功能等信息。這個我們開發板芯片原理圖內已經將引腳所有功能都標進去了，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 結構框圖與工作原理

我們使用的51 單片機GPIO 分為P0、P1、P2 和P3 口，下面分別來介紹其內部結構框圖與工作原理。

1.P0 端口

P0 端口含有8 位引腳，下圖為其中一個，其它幾個與之完全一致，因此只需了解當中一個即可。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、一個非門、一個與非門及場效應管驅動電路構成。再看圖的最右邊，標號為P0.x 引腳的圖標，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 個與上圖相同的電路組成。

下面，我們先就組成P0 口的每個單元部份跟大家介紹一下：

①輸入緩沖器

在P0 口中，有兩個三態的緩沖器，在學數字電路時，我們已知道，三態門有三個狀態，即在輸出端可以是高電平、低電平，同時還有一種就是高阻狀態（或稱為禁止狀態），大家看上圖，上面一個是讀鎖存器的緩沖器，也就是說，要讀取D 鎖存器輸出端Q 的數據，那就得使讀鎖存器的這個緩沖器的三態控制端（上圖中標號為‘讀鎖存器’端）有效。下面一個是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.x引腳上的數據，也要使標號為‘讀引腳’的這個三態緩沖器的控制端有效，引腳上的數據才會傳輸到我們單片機的內部數據總線上。

②D 鎖存器

構成一個鎖存器，通常要用一個時序電路，時序的單元電路在學數字電路時我們已知道，一個觸發器可以保存一位的二進制數（即具有保持功能），在51單片機的32 根I/O 口線中都是用一個D 觸發器來構成鎖存器的。大家看上圖中的D 鎖存器，D 端是數據輸入端，CP（CLK）是控制端（也就是時序控制信號輸入端），Q 是輸出端，Q 非是反向輸出端。對于D 觸發器來講，當D 輸入端有一個輸入信號，如果這時控制端CP 沒有信號（也就是時序脈沖沒有到來），這時輸入端D 的數據是無法傳輸到輸出端Q及反向輸出端Q 非的。如果時序控制端CP 的時序脈沖一旦到了，這時D 端輸入的數據就會傳輸到Q 及Q 非端。數據傳送過來后，當CP 時序控制端的時序信號消失了，這時，輸出端還會保持著上次輸入端D 的數據（即把上次的數據鎖存起來了）。如果下一個時序控制脈沖信號來了，這時D 端的數據才再次傳送到Q端，從而改變Q 端的狀態。

③多路開關

在51 單片機中，當內部的存儲器夠用（也就是不需要外擴展存儲器時，這里講的存儲器包括數據存儲器及程序存儲器）時，P0 口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對于8031（內部沒有ROM）的單片機或者編寫的程序超過了單片機內部的存儲器容量，需要外擴存儲器時，P0 口就作為‘地址/數據’總線使用。那么這個多路選擇開關就是用于選擇是做為普通I/O 口使用還是作為‘數據/地址’總線使用的選擇開關了。大家看上圖，當多路開關與下面接通時，P0 口是作為普通的I/O 口使用的，當多路開關是與上面接通時，P0 口是作為‘地址/數據’總線使用的。

④場效應管輸出驅動

從上圖中可以看出，P0 口的輸出是由兩個MOS 管組成的推拉式結構，也就是說，這兩個MOS 管一次只能導通一個，當V1 導通時，V2 就截止，當V2 導通時，V1 截止。

⑤與非門、非門

這個在學習數字電路時也很好理解，如果沒有數字電路基礎的用戶，可以百度查找與非門、非門以及前面的D 觸發器詳細了解，這里就不再過多敘述。當然如果搞不明白這些也不會影響后續我們學習51 單片機編程，大家也可以忽略。前面我們已將P0 口的各單元部件進行了一個詳細的講解，下面我們就來研究一下P0 口做為I/O 口及地址/數據總線使用時的具體工作過程。

（1）作為I/O 端口輸出使用時的工作原理

P0 口作為I/O 端口使用時，多路開關的控制信號為0（低電平），看上圖中的紅線部分，多路開關的控制信號同時與與非門的一個輸入端是相接的，我們知道與門的邏輯特點是“全1 出1，有0 出0”那么控制信號是0 的話，這時與門輸出的也是一個0（低電平），與門的輸出是0，V1 管就截止，在多路控制開關的控制信號是0（低電平）時，多路開關是與鎖存器的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，其由數據總線向引腳輸出（即輸出狀態Output）的工作過程：當寫鎖存器信號CP 有效，數據總線的信號→鎖存器的輸入端→D 鎖存器的反向輸出Q 非端→多路開關→V2 管的柵極→V2 的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當多路開關的控制信號為低電平0 時，與門輸出為低電平，V1 管是截止的，所以作為輸出口時，P0 是漏極開路輸出，類似于OC 門，當驅動上接電流負載時，需要外接上拉電阻。

下圖就是由內部數據總線向P0 口輸出數據的流程圖（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 端口輸入使用時的工作原理

數據輸入時（讀P0 口）有兩種情況：

1、讀引腳

讀芯片引腳上的數據，讀引腳數時，讀引腳緩沖器打開（即三態緩沖器的控制端要有效），通過內部數據總線輸入，請看下圖（紅色箭頭）。

2、讀鎖存器

通過打開讀鎖存器三態緩沖器讀取鎖存器輸出端Q 的狀態，請看下圖（紅色箭頭）

因為現在STC 51 單片機內存已經足夠使用，所以也用不到通過P0 口外擴存儲器，對于P0 口作為外擴存儲器時的工作原理這里就不敘述，如需了解的朋友可以上網百度。

2.P1 端口

P1 口的結構最簡單，用途也單一，僅作為數據輸入/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 端口的一位結構見下圖：

由圖可見，P1 端口與P0 端口的主要差別在于，P1 端口用內部上拉電阻R 代替了P0 端口的場效應管V1，并且輸出的信息僅來自內部總線。由內部總線輸出的數據經鎖存器反相和場效應管反相后，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，必須先使場效應管關斷，以便由外部輸入的信息確定引腳的狀態。為此，在作引腳讀入前，必須先對該端口寫入l。具有這種操作特點的輸入/輸出端口，稱為準雙向I/O 口。8051 單片機的P1、P2、P3 都是準雙向口。P0 端口由于輸出有三態功能，輸入前，端口線已處于高阻態，無需先寫入l 后再作讀操作。

P1 口的結構相對簡單，前面我們已詳細的分析了P0 口，只要大家認真的分析了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。單片機復位后，各個端口已自動地被寫入了1，此時，可直接作輸入操作。

如果在應用端口的過程中，已向P1 一P3 端口線輸出過0，則再要輸入時，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 端口的一位結構見下圖：

由圖可見，P2 端口在片內既有上拉電阻，又有切換開關MUX，所以P2 端口在功能上兼有P0 端口和P1 端口的特點。這主要表現在輸出功能上，當切換開關向下接通時，從內部總線輸出的一位數據經反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上；當多路開關向上時，輸出的一位地址信號也經反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上。

對于8031 單片機必須外接程序存儲器才能構成應用電路（或者我們的應用電路擴展了外部存儲器），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 端口的多路開關總是在進行切換，分時地輸出從內部總線來的數據和從地址信號線上來的地址。因此P2 端口是動態的I/O 端口。輸出數據雖被鎖存，但不是穩定地出現在端口線上。其實，這里輸出的數據往往也是一種地址，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 口的結構相對簡單，前面我們已詳細的分析了P0 和P1 口，只要大家認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 端口的一位結構見下圖：

由上圖可見，P3 端口和Pl 端口的結構相似，區別僅在于P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。當處于第一功能時，第二輸出功能線為1，此時，內部總線信號經鎖存器和場效應管輸入/輸出，其作用與P1 端口作用相同，也是靜態準雙向I/O 端口。當處于第二功能時，鎖存器輸出1，通過第二輸出功能線輸出特定的內含信號，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 端口為靜態雙功能端口。有關P3 口第二功能，在前面章節芯片管腳功能定義已經講解過，此處不再重復。

至此，我們就把51 單片機的P0、P1、P2 和P3 口內部結構及原理講解完，可能有的朋友會很懵、看不懂，沒關系，這些都不會影響你編寫單片機應用程序，大家記住以下幾點即可：

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、計數器等。