二、并行 I/O 口原理与应用

下面讲复习提纲第二部分：二、并行 I/O 口原理与应用。这一部分很容易考端口特点、输入输出规则、电路图、流水灯程序、按键检测程序，也是后面综合控制系统的基础。

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1. 什么是并行 I/O 口

I/O 是 Input/Output，也就是输入和输出。

单片机本身只是芯片，想要控制外部世界，就必须通过 I/O 口和外设连接。

可以这样理解：

单片机内部：CPU执行程序
单片机外部：按键、LED、蜂鸣器、继电器、传感器
中间桥梁：I/O口

I/O 口主要做两类事情。

输入：读取外部状态

例如：

按键是否按下
开关是否闭合
红外传感器是否检测到物体
限位开关是否触发

程序里常见写法：

if (KEY == 0)
{
    // 按键被按下
}

输出：控制外部设备

例如：

控制LED亮灭
控制蜂鸣器响
控制继电器吸合
控制数码管显示
控制电机驱动芯片

程序里常见写法：

LED = 0;       // 如果低电平点亮，则LED亮
P1 = 0xFE;     // 控制P1口8个引脚输出不同电平

考试简答可以写：

并行 I/O 口是单片机与外部设备交换数字信号的接口，可用于读取按键、开关、传感器等输入信号，也可用于控制 LED、蜂鸣器、继电器等输出设备。

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2. 51 单片机有哪几组 I/O 口

复习提纲要求掌握：

P0、P1、P2、P3，共4组I/O口
每组8位，共32根I/O线

可以理解成：

P0 = P0.0 ~ P0.7
P1 = P1.0 ~ P1.7
P2 = P2.0 ~ P2.7
P3 = P3.0 ~ P3.7

在 C51 中，可以按字节操作：

P1 = 0x00;    // P1口8位全部输出0
P1 = 0xFF;    // P1口8位全部输出1

也可以按位操作：

sbit LED = P1^0;
LED = 0;

这里 P1^0 表示 P1.0 引脚。

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3. P0、P1、P2、P3 的特点

这部分是高频考点，尤其是 P0 口和 P3 口。

3.1 P0 口：双向口、无内部上拉、可作地址/数据总线

复习提纲中 P0 的特点是：

P0口：双向口、无内部上拉电阻，做输出必须外接上拉电阻；可做地址/数据总线。

拆开理解。

第一层：P0 作普通 I/O 口时没有内部上拉

P0 口作为普通 I/O 使用时，是漏极开路结构。它能很容易输出低电平，但输出高电平时，内部没有上拉电阻把引脚拉到高电平。

所以：

P0输出0：可以可靠拉低
P0输出1：如果没有外接上拉，电平可能悬空，不可靠

因此考试常问：

P0口作通用I/O输出时为什么要外接上拉电阻？

答案可以写：

因为P0口为漏极开路结构，内部没有上拉电阻，作为普通I/O输出高电平时不能主动拉高，所以必须外接上拉电阻才能输出稳定高电平。

第二层：P0 可作地址/数据复用总线

当单片机外扩程序存储器、数据存储器或 I/O 接口时，P0 口不再只是普通 I/O，而是作为：

低8位地址总线 + 8位数据总线

由于引脚数量有限，P0 分时复用：

先输出低8位地址
再作为8位数据线传输数据

这时配合 ALE 信号，把低 8 位地址锁存起来。

所以 P0 的考点可以总结为：

普通I/O：需外接上拉
外扩总线：作低8位地址/数据复用总线

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3.2 P1 口：准双向通用 I/O 口

复习提纲中 P1 的特点是：

P1口：准双向通用I/O口，纯普通输入输出。

P1 口内部有上拉电阻，所以比 P0 简单，常用于：

LED流水灯
按键输入
蜂鸣器控制
普通开关量输入输出

初学 51 单片机时，很多例子都用 P1 口接 8 个 LED，因为它比较适合做普通 I/O。

例如：

P1 = 0xFE;    // 控制P1.0为0，其余为1

如果 LED 低电平点亮，那么这句就是让 P1.0 对应的 LED 点亮。

注意：AT89S52 的 P1.0、P1.1 还有 T2、T2EX 等第二功能，但在普通 51 基础题里，P1 一般作为普通 I/O 口理解。

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3.3 P2 口：准双向口，可作高8位地址总线

复习提纲中 P2 的特点是：

P2口：准双向口，可做高8位地址总线。

拆开理解：

不外扩时

P2 和 P1 类似，可以作为普通 I/O：

接LED
接按键
输出控制信号

外扩时

如果系统要访问外部存储器，P2 口常作为高 8 位地址线：

P2输出高8位地址
P0输出低8位地址并复用数据

合起来可以形成 16 位地址：

高8位地址(P2) + 低8位地址(P0) = 16位地址

16 位地址最多寻址：

2^16 = 65536 = 64KB

所以 P2 的考点是：

P2可作普通I/O；外扩存储器时作为高8位地址总线。

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3.4 P3 口：准双向口，具有第二功能

复习提纲中 P3 的特点是：

P3口：准双向口，具有第二功能（串口、中断、定时器引脚等）。

P3 既能当普通 I/O，又有非常重要的第二功能。

引脚	第二功能	含义
P3.0	RXD	串口接收
P3.1	TXD	串口发送
P3.2	INT0	外部中断0
P3.3	INT1	外部中断1
P3.4	T0	定时器/计数器0外部输入
P3.5	T1	定时器/计数器1外部输入
P3.6	WR	外部数据存储器写控制
P3.7	RD	外部数据存储器读控制

这张表非常重要，尤其是：

P3.0 = RXD
P3.1 = TXD
P3.2 = INT0
P3.3 = INT1
P3.4 = T0
P3.5 = T1

如果题目说“外部中断0接哪个引脚”，答 P3.2/INT0。

如果题目说“串口发送引脚是什么”，答 P3.1/TXD。

如果题目说“计数器T0外部脉冲输入引脚是什么”，答 P3.4/T0。

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4. 准双向口是什么意思

P1、P2、P3 都常被称为准双向口。

准双向口最重要的规则是：

作为输入使用前，必须先向端口写1。

为什么？

因为准双向口内部结构中，如果锁存器原来写的是 0，那么引脚会被单片机主动拉低。此时外部设备即使想输出高电平，也可能被单片机拉低，导致读数错误。

所以输入前先写 1，相当于“释放端口”：

先写1 -> 内部下拉关闭 -> 外部信号可以决定引脚电平 -> 再读取引脚

例如按键输入：

sbit KEY = P1^0;

void main(void)
{
    KEY = 1;        // 输入前先写1
    while (1)
    {
        if (KEY == 0)
        {
            // 按键按下
        }
    }
}

考试答法：

准双向口作为输入口使用时，应先向该口写1，使输出管截止，释放引脚，然后才能正确读取外部输入电平。

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5. I/O 口输出控制 LED

LED 是最常见的输出外设。

5.1 为什么 LED 要串联限流电阻

复习提纲明确要求掌握：

LED电路串联限流电阻，防止电流过大烧毁芯片和LED。

LED 本质上是二极管，导通后如果没有电阻限制，电流可能过大。

限流电阻的作用：

限制LED电流
保护LED
保护单片机I/O口
调节亮度

考试答法：

限流电阻用于限制流过LED和单片机I/O口的电流，防止电流过大烧毁LED或损坏单片机端口。

5.2 为什么常用低电平点亮

PPT 第5章提到，P1~P3 口高电平输出时拉电流能力较弱，低电平输出时灌电流能力较强。因此 51 单片机常用低电平驱动 LED。

典型连接：

+5V -> 限流电阻 -> LED -> 单片机I/O引脚

此时：

I/O输出0：电流从+5V流过电阻和LED，再流入I/O口，LED亮
I/O输出1：LED两端电压不足，LED灭

所以程序中：

LED = 0;    // 点亮
LED = 1;    // 熄灭

这和直觉有点反，必须记住：

低电平有效：0表示亮，1表示灭

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6. 按键和开关输入

按键常用接法：

I/O引脚通过上拉电阻接+5V
按键另一端接地

此时：

按键未按下：I/O被上拉为1
按键按下：I/O接地为0

所以按键也常是低电平有效。

程序：

#include <reg51.h>

sbit KEY = P1^4;
sbit LED = P1^0;

void main(void)
{
    KEY = 1;     // 作为输入前先写1
    LED = 1;     // 初始熄灭，低电平点亮

    while (1)
    {
        if (KEY == 0)
        {
            LED = 0;    // 按下点亮
        }
        else
        {
            LED = 1;    // 松开熄灭
        }
    }
}

按键消抖

机械按键按下和松开时，触点会抖动，电平不会立刻稳定。

常见消抖方法：

检测到按下 -> 延时10ms左右 -> 再检测一次 -> 仍然按下才确认

示例：

if (KEY == 0)
{
    delay_ms(10);
    if (KEY == 0)
    {
        // 确认按键按下
        while (KEY == 0);  // 等待松开
    }
}

考试如果只是基础按键检测，不一定要求写消抖；但如果题目说“可靠检测按键”，就要写消抖。

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7. 流水灯程序

流水灯是 I/O 口应用最经典的题型。

题目常见描述：

P1口接8个LED，编写程序实现流水灯。

假设 LED 低电平点亮，则点亮数据通常是：

1111 1110 = 0xFE
1111 1101 = 0xFD
1111 1011 = 0xFB
1111 0111 = 0xF7
...

也就是只有一位为 0，那一位对应 LED 点亮。

7.1 查表法

查表法最容易理解，也最适合考试写程序。

#include <reg51.h>

typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;

uchar code led_tab[] = {
    0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7,
    0xef, 0xdf, 0xbf, 0x7f
};

void delay(uint x)
{
    uint i, j;
    for (i = 0; i < x; i++)
        for (j = 0; j < 120; j++);
}

void main(void)
{
    uchar i;
    while (1)
    {
        for (i = 0; i < 8; i++)
        {
            P1 = led_tab[i];
            delay(500);
        }
    }
}

优点：

思路清楚
花样可改
适合来回流水、间隔点亮等复杂显示

7.2 循环移位法

PPT 第5章中也使用了循环移位函数。

#include <reg51.h>
#include <intrins.h>

void delay(unsigned int x)
{
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < x; i++)
        for (j = 0; j < 120; j++);
}

void main(void)
{
    P1 = 0xfe;
    while (1)
    {
        delay(500);
        P1 = _crol_(P1, 1);
    }
}

这里：

_crol_(P1, 1) 表示把P1中的数据循环左移1位

注意要包含：

#include <intrins.h>

7.3 移位运算法

也可以用变量左移，再取反输出。

unsigned char temp = 0x01;

while (1)
{
    P1 = ~temp;
    delay(500);
    temp <<= 1;
    if (temp == 0)
    {
        temp = 0x01;
    }
}

因为 LED 低电平点亮，所以 temp 中的 1 表示“想点亮的位置”，输出到 P1 前要取反。

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8. 画电路图时要注意什么

如果题目要求“绘制 LED、开关、流水灯电路”，不要只画单片机和 LED，要体现关键连接。

LED 电路

必须包含：

单片机I/O口
LED
限流电阻
电源或地

常见低电平点亮连接：

+5V -> 限流电阻 -> LED -> P1.x

按键电路

常见低电平有效连接：

+5V -> 上拉电阻 -> I/O引脚
I/O引脚 -> 按键 -> GND

按下读 0，松开读 1。

P0 口电路

如果用 P0 接 LED 或按键，要额外注意：

P0作普通I/O时要外接上拉电阻

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9. 常见考法

考法1：问 51 有几组 I/O 口

题目：

51单片机有哪几组并行I/O口？共有多少根I/O线？

答案：

有P0、P1、P2、P3四组并行I/O口，每组8位，共32根I/O线。

考法2：问 P0 特点

题目：

简述P0口的特点。

答案：

P0口是8位双向I/O口，内部无上拉电阻，作为通用I/O口输出高电平时必须外接上拉电阻；在外扩存储器或I/O接口时，P0口可作为低8位地址/数据复用总线。

考法3：问准双向口输入规则

题目：

为什么准双向I/O口作输入前要先写1？

答案：

准双向口作输入时，应先向端口锁存器写1，使内部输出管截止，释放引脚，这样外部信号才能决定引脚电平，从而被正确读取。

考法4：问限流电阻作用

题目：

LED为什么要串联限流电阻？

答案：

限流电阻用于限制LED回路电流，防止电流过大烧毁LED或损坏单片机I/O口，同时也可调节LED亮度。

考法5：写流水灯程序

核心要点：

设置P1输出初值
延时
改变P1输出数据
循环执行

如果低电平点亮，常用初值：

P1 = 0xFE

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10. 易混点

1. P0 和 P1 不一样

P0：无内部上拉，普通I/O时要外接上拉
P1：内部有上拉，普通I/O更方便

2. 输入前先写 1

准双向口不是直接读就一定对。

输入前写1 = 释放引脚

3. LED 可能是低电平点亮

不要看到 P1=0xFE 就以为输出 1 的灯亮。要看电路连接。

如果 LED 阳极接 +5V、阴极接 I/O：

I/O=0 点亮
I/O=1 熄灭

4. P3 口第二功能要背

尤其是：

P3.0 RXD
P3.1 TXD
P3.2 INT0
P3.3 INT1
P3.4 T0
P3.5 T1

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第二部分背诵版

51单片机有P0、P1、P2、P3四组8位并行I/O口，共32根I/O线。P0口为双向口，内部无上拉电阻，作为通用I/O口输出高电平时必须外接上拉电阻，也可作为低8位地址/数据复用总线。P1口为准双向通用I/O口，常用于普通输入输出。P2口为准双向口，既可作普通I/O，也可在外扩存储器时作为高8位地址总线。P3口为准双向口，具有第二功能，如RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD等。

准双向I/O口作为输入使用前，应先向端口写1，释放引脚后再读取外部电平。LED接口电路中应串联限流电阻，以防止电流过大损坏LED或单片机端口。51单片机常采用低电平驱动LED，即I/O输出0时LED点亮，输出1时LED熄灭。流水灯程序可采用查表法、循环移位法或移位运算法实现。