單片機并行IO口的擴展.ppt

,第7章 單片機并行I/O口的擴展 7.1 I/O接口擴展概述 I/O(輸入/輸出)接口是MCS-51與外設(shè)交換數(shù)字信 息的橋梁。 MCS-51真正用作I/O口線的只有P1口的8位I/O線和 P3口的某些位線。 在多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，MCS-51單片機都需要外擴I/O 接口電路。,7.1.1 I/O口擴展的原因 1.I/O信息的組成 （1）數(shù)據(jù)信息 CPU與外設(shè)交換的基本信息就是數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)的傳送可采用并行傳送（n位同時傳送）和串行傳送（一位一位地傳送）兩種形式。 （2）狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是指在CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)時的聯(lián)絡(luò)信息。CPU通過對外設(shè)狀態(tài)信息的讀取，可知其工作狀態(tài)。了解狀態(tài)信息是CPU與I/O設(shè)備正確進行數(shù)據(jù)交換的重要條件。 （3）控制信息 控制信息指CPU發(fā)給外設(shè)命令信息，CPU通過發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。,2.I/O口接口的作用 CPU與I/O設(shè)備交換信息情況較為復(fù)雜，所以通常I/O設(shè)備并不直接與CPU進行信息交換，而是通過相應(yīng)的輸入/輸出接口（稱為I/O接口）來進行的。I/O接口是CPU和I/O設(shè)備之間進行信息交換的中間環(huán)節(jié)，其主要功能如下： （1）對輸入輸出數(shù)據(jù)進行緩沖、隔離和鎖存，實現(xiàn)速度匹配。 （2）完成信息格式的變換，如串并轉(zhuǎn)換。 （3）實現(xiàn)電氣特性的匹配。 （4）選擇設(shè)備或地址譯碼等。,3.單片機I/O擴展的原因 I/O (輸入/輸出)接口是MCS-51與外設(shè)交換數(shù)字信息的橋梁，MCS-51系列單片機有4個并行I/O口(P0，P1，P2，P3口)，但對一個稍微復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)來說，由于P0口和P2口配合使用用于系統(tǒng)擴展、P3口是一個多功能口每個引腳都具有第二功能，所以真正可供用戶使用的并行口，只有P1口，況且常常因擴展I2C和SPI等需占用P1口某些引腳，這使用戶不得不擴展并行口以滿足實際的需要。因此，當在I/O口線不夠用的情況下我們需要擴展并行I/O口。,圖7-1 并行接口連接CPU與外設(shè)示意圖,7.1.2 I/O口數(shù)據(jù)的傳遞方式 MCS-51單片機為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出傳送，通常使用以下4種方式傳遞數(shù)據(jù)。 (1)無條件傳送方式：當外設(shè)和單片機能夠同步工作時，可以采用無條件方式進行傳送，即數(shù)據(jù)可以隨時進行傳送。 (2)查詢方式：查詢方式又稱為有條件傳送方式，即數(shù)據(jù)的傳送是有條件的。在進行I/O操作之前，用戶要通過軟件查詢外設(shè)是否為數(shù)據(jù)傳送做好準備，只有確認外設(shè)為數(shù)據(jù)傳送做好準備。單片機才能執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出（I/O）操作。,(3)中斷方式：當外設(shè)和計算機進行數(shù)據(jù)交換時，外設(shè)向單片機發(fā)出中斷請求。單片機接到中斷請求后，就作出響應(yīng)，暫停正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去為設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入/輸出服務(wù)。當服務(wù)完成后，程序返回，單片機再繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。 (4)DMA方式：DMA(Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取) 中斷方式雖提高了CPU的效率，但仍然是通過CPU執(zhí)行程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。其缺點是大量的數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存間交換需大量的時間，高速I/O設(shè)備時或成組數(shù)據(jù)交換時，顯得速度太慢。DMA方式就是在外設(shè)與內(nèi)存間直接傳送數(shù)據(jù)，DMA的速度取決于內(nèi)存的工作速度。,7.1.3 I/O端口的編址方式 I/O端口編址是給所有I/O接口中的寄存器編址。 I/O端口編址兩種方式：獨立編址與統(tǒng)一編址。 1獨立編址方式 I/O寄存器地址空間和存儲器地址空間分開編址，但需專門讀寫I/O的指令和控制信號。 2統(tǒng)一編址方式 I/O寄存器與數(shù)據(jù)存儲器單元同等對待，統(tǒng)一編址。不需要專門的I/O指令，直接使用訪問數(shù)據(jù)存儲器。的指令進行I/O操作，簡單、方便且功能強。,常用的外圍I/O接口芯片有： （1）8255：可編程的通用并行接口電路（3個8位 I/O口）。 （2）8155：可編程的IO/RAM擴展接口電路（2個8 位I/O口,1個6位I/O口, 256個RAM字節(jié)單元， 1個14位的減法定時器/計數(shù)器）。 可與MCS-51單片機直接連接，接口邏輯十分簡單。 此外，74LS系列的TTL電路也可以作為MCS-51的擴展I/O口，如74LS244、 74LS273等。,7.2 簡單I/O口的擴展,簡單I/O口的擴展是利用74LS273和74LS244，將P0口擴展成簡單的輸入、輸出口的電路。,如圖7-2所示74LS273輸出端接8個LED發(fā)光二極管， 以顯示8個按鈕開關(guān)狀態(tài)，某位低電平時二極管發(fā)光。,74LS244是緩沖驅(qū)動器，擴展輸入口，接8個按鈕開關(guān)。 74LS273和74LS244的工作受8031的P2.0、RD*、WR*三條控制線控制。電路的工作原理如下:,當P2.0=0,WR*=0(RD*=)選中寫74LS273， 8031 通過P0口輸出數(shù)據(jù)到74LS273，；,當P2.0=0,RD*=0(WR*=1)時選中讀74LS244, 某開關(guān)按下時則對應(yīng)位輸入為“0”。,圖7-2 簡單I/O擴展實例,輸出程序段： （1）匯編語言 MOV A,#data ；數(shù)據(jù)A MOV DPTR,#0FEFFH；I/O地址DPTR MOVX DPTR,A ；WR*為低，數(shù)據(jù)經(jīng)74LS273口輸出 （2）C語言 #define PORT XBYTE0xFEFF； A= data； PORT= A；,輸入程序段： （1）匯編語言 MOV DPTR,#0FEFFH ；I/O地址DPTR MOVX A,DPTR；RD*為低，74LS244口，數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM （2）C語言 #define PORT XBYTE0xFEFF； A=PORT；,【例題7-1】編寫程序把按鈕開關(guān)狀態(tài)通過圖7-2中的發(fā)光二極管顯示出來。 （1）匯編語言 DDIS: MOV DPTR,#0FEFFH ；輸入口地址DPTR LP: MOVX A,DPTR ；按鈕開關(guān)狀態(tài)讀入A中 MOVX DPTR,A ；A中數(shù)據(jù)送輸出口 SJMP LP ；反復(fù)連續(xù)執(zhí)行 （2）C語言 #define PORT XBYTE0xFEFF； while（1） A=PORT； PORT=A； ,7.3 8255A可編程并行接口芯片擴展I/O口 8255A芯片介紹： 8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片， 具有3個8位的并行I/O口，3種工作方式，可通過 編程改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強。,7.3.1.內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖7-3 8255A內(nèi)部編程結(jié)構(gòu),（1）端口A、B、C,功能和結(jié)構(gòu)上有些差異,PA口：輸出鎖存和緩沖；輸入鎖存,PB口：輸出鎖存和緩沖；輸入緩沖,PC口：輸出鎖存；數(shù)據(jù)輸入緩沖,PC口可在軟件的控制下，分為兩個4位端口，作為 PA口、PB口選通方式操作時的狀態(tài)控制信號。,(2)A組和B組控制電路,A組：PA口和PC口的上半部（PC7PC4）；,B組：PB口和PC口的下半部（PC3PC0）,可根據(jù)“命 令字”對PC口按位“置1”或“清0”。,(3)數(shù)據(jù)總線緩沖器線線,三態(tài)雙向，作為8255A與單片機數(shù)據(jù)線之間接口， 傳送數(shù)據(jù)、指令、控制命令及外部狀態(tài)信息。,(4)讀/寫控制邏輯電路線,該電路接收CPU發(fā)來的控制信號、RESET、地址信號A1、A0等。對端口進行讀寫。,各端口的工作狀態(tài)與控制信號的關(guān)系如表7-1所示。,表7-1 8255A端口工作狀態(tài)選擇,圖7-4 8255A芯片引腳圖,7.3.2 引腳功能,D7D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機數(shù)據(jù)總線連接,CS*：片選信號線，低電平有效，表示本芯片被選中,RD*：讀出信號線，控制8255A中數(shù)據(jù)的讀出高,WR*：寫入信號線，控制向8255A數(shù)據(jù)的寫入。,Vcc：+5V電源。,PA7PA0：A口輸入/輸出線。,PB7PB0：B口輸入/輸出線。,PC7PC0：C口輸入/輸出線。,A1、A0：地址線，用來選擇8255A內(nèi)部的4個端口。,7.3.3 8255A的三種工作方式,1.方式0,基本的輸入/輸出方式。,外設(shè)的I/O數(shù)據(jù)可在8255A的各端口得到鎖存和緩沖,MCS-51可對8255A進行數(shù)據(jù)的無條件傳送。,例如:從口線讀入一組開關(guān)狀態(tài)，向端口輸出數(shù)字量，控制一組指示燈的亮、滅。不需要聯(lián)絡(luò)信號，,基本功能為：,（1）具有兩個8位端口（A、B）和兩個4位端口（C的上半部分和下半部分）。,（2）任一個端口都可以設(shè)定為輸入或輸出，各端口 的輸入、輸出可構(gòu)成16種組合。,（3）數(shù)據(jù)輸出鎖存，輸入不鎖存。,例 假設(shè)8255A的控制字寄存器地址為FF7FH，則令A(yù)口 和C口的高4位工作在方式0輸出， B口和C口的低4位 工作于方式0輸入，初始化程序：,MOV DPTR，#0FF7FH ；控制字寄存器地址送DPTR MOV A，#83H ；方式控制字83H送A MOVX DPTR，A ；83H送控制字寄存器,2. 方式1,選通輸入/輸出工作方式。A口和B口通常用于I/O數(shù) 據(jù)傳送，C口用作A口和B口的聯(lián)絡(luò)線，以中斷方式傳 送數(shù)據(jù)。,(1) 方式1輸入,控制聯(lián)絡(luò)信號如下圖所示，STB*與IBF構(gòu)成了一 對應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號，聯(lián)絡(luò)信號的功能如下圖：,STB*：選通輸入，是由輸入外設(shè)送來的輸入信號。 IBF：輸入緩沖器滿，高電平有效。表示數(shù)據(jù)已送入 8255A的輸入鎖存器，它由STB*信號的下降沿置 位，由信號的上升沿使其復(fù)位,INTR：中斷請求信號，高電平有效。由8255A輸出， 向單片機發(fā)中斷請求。,INTE A：A口中斷允許，由PC4控制， INTE B：B口中斷允許，由PC2控制。,A口的方式1輸入工作方式見下圖。,（2）方式1輸出,如下圖所示。OBF*與ACK*構(gòu)成了一對應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號，各信號的功能如下：,OBF*：輸出緩沖器滿信號，8255A給外設(shè)的聯(lián)絡(luò)信號，外設(shè)可以將數(shù)據(jù)取走。,ACK*：外設(shè)的響應(yīng)信號，外設(shè)已將數(shù)據(jù)取走。,INTR*：中斷請求信號。表示該數(shù)據(jù)已被外設(shè)取走， 請求單片機繼續(xù)輸出下一個數(shù)據(jù)。,INTE A：中斷允許，由PC6控制。 INTE B：中斷允許，由PC2控制。,B口的方式1輸出如下圖所示：,3.方式2,只有A口才能設(shè)定為方式2。下圖為方式2工作示意圖。,在方式2下，PA7PA0為雙向I/O總線。,當輸入時，PA7PA0受STBA*和IBFA控制，其工作 過程和方式1輸入時相同；,當輸出時，PA7PA0受OBFA*、ACKA*控制，其工作 過程和方式1輸出時相同。,7.3.4 8255A的控制字,8255A有三種工作方式：,(1) 方式0：基本輸入輸出；,(2) 方式1：選通輸入輸出；,(3) 方式2：雙向傳送（僅A口有）。,1.工作方式選擇控制字,三種工作方式由方式控制字來決定。 控制字格式如下。,C口上半部分（PC7PC4）隨A口稱為A組，,C口下半部分（PC3PC0）隨B口稱為B組。,其中A口可工作于方式0、1、和2，而B口只能工作在 方式0和1。,例如：寫入工作方式控制字95H,可將8255A編程為：A口方式0輸入，B口方式1輸出， C口的上半部分（PC7 PC4）輸出，C口的下半部分 （PC3PC0）輸入。,2. C口按位置位/復(fù)位控制字,可對C口8位中的任一位置“1”或清“0”。用于位控。,【例題7-2】 如下圖是在PROTEUS軟件中繪制的用8051擴展1片8255的電路，8255的PA口接輸出設(shè)備（八個發(fā)光二極管）、PB口接輸入設(shè)備（八個開關(guān)）PC口不用，均采用方式0，將8255 B口輸入的開關(guān)置的數(shù)據(jù)從A口輸出，要求開關(guān)合上的對應(yīng)LED亮，編出相關(guān)匯編語言和C語言程序段。,分析：由圖7-8可知，P2.7=0才選中該片8255，A1 A0(P2.1 P2.0)為00 01對應(yīng)PA口和PB口、為11時對應(yīng)控制口。其余地址寫1，A口、B口、控制口地址分別為7CFFH、 7DFFH、7FFFH。設(shè)定PA口方式0輸出, B口方式0輸入，控制字10000010B82H，編程如下： （1）匯編語言 MOV DPTR, #7FFFH ;DPTR指向控制口 MOV A, #82H MOVX DPTR, A ; 控制字寫入控制口 MOV DPTR, #7DFFH ;DPTR指向PB口 MOVX A, DPTR ;從PB口輸入數(shù)據(jù) CPL A ;開關(guān)合上的對應(yīng)LED亮 DEC DPL ;DPTR指向PA口 MOVX DPTR, A ;從PA口輸出 SJMP $,（2）C語言 #include #include #define COM8255 XBYTE0x7FFF #define PA8255 XBYTE0x7CFF #define PB8255 XBYTE0x7DFF #define PC8255 XBYTE0x7EFF #define uchar unsigned char main( ) char a; COM8255=0x82; /* 寫方式控制*/ a=PB8255; /*B口輸入*/ PA8255=a; /*A口輸出*/ ,【例題7-3】 在8255的PC7引腳接一個LED,用置位/復(fù)位控制字使其閃爍。 8255和單片機的連接同例7-2。 由圖可知，8255的控制口地為7FFFH （1）匯編語言 MOV DPTR,#7FFFH ；指向控制口 MOV A,#80H ；先寫方式控制字 MOVX DPTR,A MOV A,#7FH ；使PC7位置位 PNOT:MOVX DPTR,A ACALL DAY XRL A, #01H ；使PC7位變反 SJMP PNOT,（2）C語言 #include #include #define COM8255 XBYTE0x7FFF #define uchar unsigned char main( ) uchar i; COM8255=0x80; /* 設(shè)置工作方式*/ while(1) COM8255=0x7f; /*使PC7位置位*/ for(i=0;i5000;i+); /*延時*/ COM8255=0x7e; /*使PC7位復(fù)位*/ for(i=0;i5000;i+); /*延時*/ ,7.3.5 單片機和8255A的接口舉例,1.硬件接口電路,如下圖是8031擴展1片8255A的電路圖。74LS373是地 址鎖存器，P0.1、P0.0經(jīng)74LS373與8255A的地址線A1、A0 連接； P0.7經(jīng)74LS373與片選端相連，其他地址線懸空。,2.端口地址確定,圖中8255A各端口寄存器的地址為：,A口： FF7CH B口： FF7DH C口： FF7EH 控制寄存器： FF7FH,3.軟件編程,例： 要求8255A工作在方式0，且A口作為輸入，B口、 C口作為輸出，程序如下：,MOV A,#90H ；A口方式0輸入，B口、 ；C口輸出的控制字送A MOV DPTR,#0FF7FH ；控制寄存器地址DPTR MOVX DPTR,A ；方式控制字控制寄存器,MOV DPTR,#0FF7CH ；A口地址DPTR MOVX A,DPTR ；從A口讀數(shù)據(jù) MOV DPTR,#0FF7DH ；B口地址DPTR,MOV A,#DATA1 ；要輸出的數(shù)據(jù)DATA1A MOVX DPTR,A ；將DATA1送B口輸出 MOV DPTR,#0FF7EH ；C口地址DPTR,MOV A,#DATA2 ；DATA2A MOVX DPTR,A ；將數(shù)據(jù)DATA2送C口輸出,例： 對端口C的置位/復(fù)位。,把PC5置位，控制字為0BH,MOV R1,#7FH ；控制口地址R1 MOV A,#0BH ；控制字A MOVX R1,A ；控制字控制口，PC5=1,把PC5復(fù)位，控制字為0AH,MOV R1,#7FH ；控制口地址R1 MOV A,#0AH ；控制字A MOVX R1,A ；控制字控制口，PC5=0,7.4 8155可編程并行接口芯片擴展I/O口,7.4.1 8155芯片介紹,1.8155的邏輯結(jié)構(gòu),如下圖所示。,2.8155的引腳功能8155H的引腳功能,（1）AD7AD0（8條） （2）I/O總線（22條）,（3）控制總線（8條） RESET：復(fù)位輸入線 CE*和IO/M* RD*和WR* ALE：地址鎖存允許 TIMERIN和TIMEROUT*：,（4）電源線（2條） Vcc：+5V電源 Vss：地,3.CPU對8155 I/O端口的控制,(1) 8155各端口地址分配,（2）8155的命令字,（3）8155的狀態(tài)字,7.4.2 8155的工作方式,1.存儲器方式,對片內(nèi)RAM單元進行讀寫，若IO/M*=0和CE*=0，則 通過AD7AD0上的地址對RAM存儲器任一單元讀寫。,2.I/O方式,8155H的I/O方式分為基本I/O和選通I/O兩種工作 方式，如表9-3所示。可對片內(nèi)任一寄存器讀寫， 端口地址由A2、A1、A0三位決定（見表9-2）。,表7-2 C口在兩種I/O工作方式下各位定義,（1）基本I/O方式,（2）選通I/O方式 (見右圖）,a.選通I/O輸入 b.選通I/O輸出,3. 內(nèi)部定時器/計數(shù)器及使用,14位的減1定時器/計數(shù)器，計數(shù)長度和計數(shù)方式 由寫入計數(shù)寄存器的控制字來確定。,計數(shù)器的兩個寄存器的格式如下圖。,T13T0:計數(shù)器長度,M2、M1:設(shè)置定時器的4種工作方式,4種工作方式及相應(yīng)輸出波形如下圖。,7.4.3 單片機與8155接口及軟件編程,1.硬件接口電路,2. 編程舉例8155H,(1) 初始化程序設(shè)計,例 若A口定義為基本輸入方式，B口定義為基本輸出方 式，對輸入脈沖進行24分頻，初始化程序如下：,START:MOV DPTR, 7F04H ；指針指向定時器低8位 MOV A,18H ；計數(shù)初值24送A, MOVX DPTR,A ；計數(shù)初值低8位裝入定時器,INC DPTR ；指針指向定時器高8位 MOV A,40H ；設(shè)定時器連續(xù)方波輸出 MOVX DPTR,A ；計數(shù)初值高6位裝入定時器,MOV DPTR,7F00H ；指向命令/狀態(tài)口 MOV A,#0C2H ；設(shè)定命令控制字 MOVX DPTR,A ；A口輸入，B口輸出,開定時器,MOVX DPTR,A ；A中數(shù)據(jù)送輸出口 SJMP LP ；反復(fù)連續(xù)執(zhí)行,7.5 單片機串行口到并行口的轉(zhuǎn)換,7.5.1 用74LS165擴展并行輸入口,例 從16位擴展口讀入5組數(shù)據(jù)（每組二個字節(jié)）， 并把它們轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM 20H開始的單元中。,MOV R7,#05H ；設(shè)置讀入組數(shù) MOV R0,#20H ；設(shè)置內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)首址,START: CLR P1.0 ；并行置入數(shù)據(jù)，S/L*=0 SETB P1.0 ；允許串行移位，S/L*=1 MOV R1,#02H ；設(shè)置每組字節(jié)數(shù)，即外擴 ；74LS165的個數(shù),RXDAT: MOV SCON,#10H ；設(shè)串口方式0，允許接收，啟動,WAIT: JNB RI,WAIT ；未接收完一幀，循環(huán)等待 CLR RI ；清RI標志，準備下次接收,MOV A,SBUF ；讀入數(shù)據(jù) MOV R0,A ；送至RAM緩沖區(qū),INC R0 ；指向下一個地址,DJNZ R1,RXDATA ；未讀完一組數(shù)據(jù)，繼續(xù) DJNZ R7,START ；5組數(shù)據(jù)未讀完重新并行置入 ；對數(shù)據(jù)進行處理,7.5.2 用74LS164擴展并行輸出口.,74LS164：8位串入并出移位寄存器。,下圖是利用74LS164擴展二個8位并行輸出口的接 口電路。,例 編寫將內(nèi)部RAM單元30H、31H的內(nèi)容經(jīng)串行口 由74LS164并行輸出子程序。,START: MOV R7,#02H ；設(shè)置要發(fā)送的字節(jié)個數(shù) MOV R0,#30H ；設(shè)置地址指針 MOV SCON,#00H ；設(shè)置串行口為方式0,SEND: MOV A,R0 MOV SBUF,A ；啟動串行口發(fā)送過程,WAIT: JNB TI,WAIT ；1幀數(shù)據(jù)未發(fā)完，循環(huán)等待 CLR TI INC R0 ；取下一個數(shù) DJNZ R7,SEND ；未完，發(fā)完從子程序返回 RET,7.6 日歷時鐘接口芯片及應(yīng)用,7.6.1 并行接口日歷時鐘芯片DS12887,DS12887是內(nèi)置鋰電池的實時日歷時鐘芯片，它可以產(chǎn)生秒、分、時、星期、日、月及年等7個時標，并有供用戶使用的114B帶掉電保護的RAM，可以通過編程讀取和修改這些時標，也可以編程產(chǎn)生定時間隔時間中斷，使用十分方便。,1. DS12887芯片的引腳,2.片內(nèi)結(jié)構(gòu)和寄存器,DS12887的內(nèi)部有10B時標寄存器、4B狀態(tài)寄存器、114B帶掉電保護的RAM。其地址分配如右圖所示。,1）時標寄存器 10個時標寄存器可用二進制表示，也可用BCD碼表示。其功能和數(shù)值范圍如下表所示。,2）寄存器0AH 寄存器0AH的格式如下圖所示。,UIP：更新周期進行標志位，UIP = 1時，芯片正處于或?qū)㈤_始新周期，此期間不允許讀寫時標寄存器。 DV2DV0：為010時晶振工作，其他組合時晶振停止。 RS3RS0：中斷周期時間和SQW輸出頻率選擇位。,3）寄存器0BH 寄存器0BH中的格式如下圖所示。,SET：為1時禁止更新。為0時正常。 PIE：為1時周期中斷允許。 AIE：為1時警報中斷允許。 UIE：為1時更新結(jié)束中斷允許。 SQWE：為1時方波輸出允許。 DM：為0時時間為BCD碼，為1時為二進制。 24/12：為1時