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一、GPIO概念

GPIO（general purpose intput output）是通用输入输出端口的简称，可以通过软件来控制其输入和输出。51单片机芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。不过GPIO最简单的应用还属点亮LED灯了，只需通过软件控制GPIO输出高低电平即可。当然GPIO还可以作为输入控制，比如在引脚上接入一个按键，通过电平的高低判断按键是否按下。

开发板上使用的51单片机型号是STC89C52，此芯片共有40个引脚。

不是所有引脚都是GPIO，51单片机引脚可以分为这么几大类：①电源引脚：引脚图中的VCC、GND都属于电源引脚；②晶振引脚：引脚图中的XTAL1、XTAL2都属于晶振引脚；③复位引脚：引脚图中的RST/VPD属于复位引脚，不做其他功能使用；④下载引脚：51单片机的串口功能引脚（TXD、RXD）可以作为下载引脚使用；⑤GPIO引脚：引脚图中带有Px.x等字样的均属于GPIO引脚。从引脚图可以看出，GPIO占用了芯片大部分的引脚，共达32个，分为4组，P0、P1、P2、P3，每组为8个IO，而且在P3 组中每个IO都具备额外功能，只要通过相应的寄存器设置即可配置对应的附加功能，同一时刻，每个引脚只能使用该引脚的一个功能。

可以查阅STC89CXX芯片数据手册获取信息，数据手册在我们资料“\6--芯片资料\开发板芯片数据手册 ”内，里面有一个STC89CXX数据手册.pdf，第23页中就有介绍。

从上图中可以获取引脚的名字和引脚功能等信息。开发板芯片原理图内已经将引脚所有功能都标进去了，所以后面不需要查找具体引脚有什么功能，直接看原理图即可。

二、GPIO结构框图与工作原理

51单片机GPIO分为P0、P1、P2和P3口，下面分别来介绍其内部结构框图与工作原理。

P0端口

P0 端口含有8位引脚，下图为其中一个，其它几个与之完全一致，因此只需了解当中一个。

由上图可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个非门、一个与非门及场效应管驱动电路构成。再看图的最右边，标号为P0.x引脚的图标，也就是说P0.x引脚可以是P0.0到P0.7的任何一位，即在P0口有8个与上图相同的电路组成。

输入缓冲器

在P0口中，有两个三态的缓冲器，在学数字电路时已知道（下面附相关资料），三态门有三个状态，即在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），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。

传输门可由NMOS管和PMOS管并联而成，两个栅极的信号互补，其真值表如下。

三态缓冲器可由传输门构成（EN为使能信号端，输入端X经过两个非门，作用是让后级负载由缓冲器驱动、恢复X的逻辑电平并改善边沿），其真值表如下。

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。

场效应管输出驱动

从上图中可以看出，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。

工作过程

前面已将P0口的各单元部件进行了一个详细的讲解，下面研究一下P0口作为I/O口及地址/数据总线使用时的具体工作过程。

P0口用作I/O口线，其由数据总线向引脚输出（即输出状态Output）的工作过程：当写锁存器信号CP有效，数据总线的信号→锁存器的输入端→D锁存器的反向输出Q非端→多路开关→V2管的栅极→V2的漏极到输出端P0.X。前面我们已讲了，当多路开关的控制信号为低电平0时，与门输出为低电平，V1管是截止的，所以作为输出口时，P0是漏极开路输出（关于P0端漏极开路输出的问题，前面的学习笔记1提到过），类似于OC门，当驱动上接电流负载时，需要外接上拉电阻。

下图就是由内部数据总线向P0口输出数据的流程图（红色箭头）。

读锁存器：通过打开读锁存器三态缓冲器读取锁存器输出端Q的状态（红色箭头）。

因为STC 51单片机内存已经足够使用，所以也用不到通过P0口外扩存储器，对于P0口作为外扩存储器时的工作原理这里就不叙述。

P1端口

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。

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V1，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。

由上图可见，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-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，P1端口也有读锁存器与读引脚之分。

P2端口

由图可见，P2端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关MUX，所以P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特点。这主要表现在输出功能上，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上；当多路开关向上时，输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上。

对于8031单片机必须外接程序存储器才能构成应用电路（或者我们的应用电路扩展了外部存储器），而P2端口就是用来周期性地输出从外存中取指令的地址(高8位地址)，因此，P2端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。因此P2端口是动态的I/O端口。输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部RAM的高8位地址。

P2口既可作为I/O口使用，也可作为地址总线使用，通常主要用作I/O口使用，地址总线使用不作分析。

P3端口

P3口是一个多功能口，它除了可以作为I/O口外，还具有第二功能。

由上图可见，P3端口和Pl端口的结构相似，区别仅在于P3端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，其作用与P1端口作用相同，也是静态准双向I/O端口。当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能，故P3端口为静态双功能端口。有关P3口第二功能，在前面章节芯片管脚功能定义已经讲解过，此处不再重复。

至此，51单片机的P0、P1、P2和P3口内部结构及原理讲解完，这些都不会影响你编写单片机应用程序，记住以下几点即可：①P0口是漏极开路，要使其输出高电平，必须外接上拉电阻，通常选择4.7K~10K阻值。②P0、P1、P2几乎都用作普通I/O口使用，既可作为输入，又可作为输出。③P3口既可用作普通I/O口，又可作为第二功能使用，比如串口、外部中断、计数器等。