在80C51單片機中有4個雙向的8位I/O口P0~P3，在無片外存儲器的系統中，這4個I/O口的每一位都可以作為準雙向通用I/O使用。

在具有片外存儲器的系統中，P0口作為地址線的低8位以及雙向數據總線，P2口作為高8位的地址線。這4個I/O口除了可以按字節尋址外，還可以按位尋址。

P0口

下圖給出了P0口的邏輯結構，它由一個鎖存器，兩個三態輸入緩沖器，一個多路復用開關，一個與門，一個非門以及控制電路和驅動電路組成。

“鎖存器，是數字電路中的一種具有記憶功能的邏輯元件。鎖存，就是把信號暫存以維持某種電平狀態，在數字電路中則可以記錄二進制數字信號"0"和"1"。

只有在有鎖存信號時輸入的狀態被保存到輸出，直到下一個鎖存信號。通常只有0和1兩個值。

三態緩沖器(Three-state buffer)，又稱為三態門、三態驅動器，其三態輸出受到使能輸出端的控制。

當使能輸出有效時，器件實現正常邏輯狀態輸出(邏輯0、邏輯1)，當使能輸入無效時，輸出處于高阻狀態，即等效于與所連的電路斷開。”

P0口可以作為輸入或輸出口，在實際應用中通常作為地址/數據復用總線。

在訪問外部存儲器時，P0口才是真正的雙向口。

當P0口輸出地址/數據信息時，此時控制信號線為高電平，模擬開關將地址/數據線與場效應管VT2接通，同時與門輸出有效，輸出結果由地址/數據線信號決定。

與門輸出的地址/數據信息去驅動VT1，同時通過非門反相信號后驅動VT2。VT1與與VT2為推拉結構，同一時刻，只有一個管能導通。若地址/數據線為1，則VT1導通，VT2截止，P0口輸出高電平;反之輸出低電平。

當數據從P0口輸入時，讀引腳使三態緩沖器打開，端口上的數據經三態緩沖器后送到內部的數據總線，完成讀引腳。

當P0口作為通用I/O時，CPU向端口輸出數據，此時控制信號為低電平，模擬開關與鎖存器的反相端連接，寫信號與鎖存器的控制總線(時鐘線)相連，于是內部數據總線上的數據經反相后出現在VT2端，再經VT2反相后輸出到P0端口，輸出的數據經過兩次反相后相位不變。

由于VT2位漏極開路輸出，為了完成VT2反相功能，此時需要外接上拉電阻。

當P0口作為輸入時，由于信號加載在VT2上被送入三態緩沖器，若該接口此前剛鎖存過數據0，則VT2是導通的，VT2的輸出被鉗位在0，此時輸入的1無法讀入，所以當P0口作為通用I/O時，在輸入數據之前，必須先向端口寫1，使VT2截止。不過當在訪問外部程序存儲器時，CPU會自動向P0口寫1。

有時需要先將端口的數據寫入，經過修改后再輸出到端口，若此時P0口的負載正好是晶體管的基極，并且其輸出為1，這必然導致該引腳為低，若此時讀取引腳信號，則會將剛輸出的1誤讀為0，為了避免這類誤讀的錯誤，于是單片機還提供了讀鎖存器的功能。

例如執行INC P0時，CPU先讀P0鎖存器中的數據，然后再執行加1操作，最后將結果送回P0口，這樣單片機從結構上滿足了讀改寫這類操作的需要。

P1口

P1口是一個準雙向口，通常作為通用I/O使用，結構圖如下。

由于在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而不需要外接上拉電阻。

同P0口一樣，當做輸出口時，必須先向端口寫1，使場效應管截止。同時，它可以被任何數字邏輯電路驅動，包括TTL電路，MOS電路和OC電路。

P2口

P2口位結構圖如下。

P2口作為一個準雙向口，其位結構與P0口相似，當系統外接片外存儲器時，它輸出高8位地址，此時開關在CPU的控制下接通地址信號。

同時它還可以作為通用I/O使用，此時開關接通鎖存器的Q端。對于80C51單片機來說，P2口通常用作地址信號輸出。

P3口

P3口位結構圖如下。

P3口位雙功能口，當P3口作為通用I/O口使用時，它為準雙向口，且每位都可定義為輸入或輸出，其工作原理與P1口類似。

P3口還有第二功能，其引腳描述如下表：

對于輸出而言，此時相應位的鎖存器由CPU自動輸出1，有效輸出第二功能。

對于輸入而言，無論該位是作為通用輸入口還是第二功能輸入口，相應的鎖存器和選擇輸出功能端都應置1，該工作在開機或復位時CPU自動完成。

80C51系列單片機的并行I/O接口有以下應用特性：1)P0，P1，P2，P3作為通用雙向I/O口使用時，輸入操作是讀引腳狀態;輸出操作是對口的鎖存器的寫入操作，鎖存器狀態立即反映到引腳上;

2)P1，P2，P3作為輸出口時，由于電路內部帶上拉電阻，因此無須外接上拉電阻。

3)P0，P1，P2，P3作為通用輸入口時，必須使電路中的鎖存器寫入高電平1。

4)I/O口功能自動識別，無論是P0，P2的總線復用功能，還是P3口的第二功能復用，單片機會自動選擇。

5)兩種讀端口的方式，包括端口鎖存器的讀、改，寫操作和讀引腳操作。在單片機中，有些指令是讀端口鎖存器的，如一些邏輯運算指令，置位/復位指令，條件轉移指令以及將I/O口作為目的地址的操作指令;有些指令是讀引腳的，如以I/O口作為源操作數的指令MOV A，P1。

6)I/O的驅動特性。由于P1，P2，P3口內部帶上拉電阻，其引腳拉出電流能力弱，吸入電流能力強，也就是輸出驅動能力弱，可驅動4個LS TTL輸入;而P0口每個I/O可以驅動8個LS TTL輸入。