51单片机 | 点亮第一个LED | LED 闪烁实验 | LED流水灯实验

  本节介绍在程序中操作51单片机的GPIO口输出高低电平使开发板上的LED灯点亮。

一、51单片机GPIO介绍

1.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。
  我们开发板上使用的 51 单片机型号是 STC89C52 或 STC89C516，此芯片共有40 引脚，芯片引脚图如下图所示：

51 单片机引脚可以分为这么几大类：

• 电源引脚：引脚图中的 VCC、 GND 都属于电源引脚。
• 晶振引脚：引脚图中的 XTAL1、XTAL2 都属于晶振引脚。
• 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。
• 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
• GPIO 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，分为了 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。

  下面，我们介绍这么多GPIO管脚中每个管脚具体有什么功能。可以查阅 STC89CXX 芯片数据手册获取信息。

2.GPIO 结构框图与工作原理

  我们使用的 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。

2.1 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即可。如下图所示：

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。
  下面介绍组成P0口的每个单元部分：

• 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，我们已知道，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），大家看上图，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。

• D 锁存器
    构成一个锁存器，通常要用一个时序电路，时序的单元电路在学数字电路时我们已知道，一个触发器可以保存一位的二进制数（即具有保持功能），在 51 单片机的 32 根 I/O 口线中都是用一个 D 触发器来构成锁存器的。大家看上图中的 D 锁存器，D 端是数据输入端，CP（CLK）是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q 是输出端，Q 非是反向输出端。
    对于 D 触发器来讲，当 D 输入端有一个输入信号，如果这时控制端 CP 没有信号（也就是时序脉冲没有到来），这时输入端 D 的数据是无法传输到输出端 Q 及反向输出端 Q 非的。如果时序控制端 CP 的时序脉冲一旦到了，这时 D 端输入的数据就会传输到 Q 及 Q 非端。数据传送过来后，当 CP 时序控制端的时序信号消失了，这时，输出端还会保持着上次输入端 D 的数据（即把上次的数据锁存起来了）。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时 D 端的数据才再次传送到 Q 端，从而改变 Q 端的状态。

• 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