第6章-2 擴(kuò)展IO口設(shè)計(jì)

1、第9章 MCS-51擴(kuò)展(kuzhn)I/O接口的設(shè)計(jì)9.1 I/O接口擴(kuò)展(kuzhn)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。I/O擴(kuò)展也屬于系統(tǒng)擴(kuò)展的一部分。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(jī)都需要外擴(kuò)I/O接 口電路。共五十六頁(yè)9.1.1 I/O接口(ji ku)的功能I/O接口(ji ku)電路應(yīng)滿足以下要求：1.實(shí)現(xiàn)和不同外設(shè)的速度匹配 大多數(shù)的外設(shè)的速度很慢，無(wú)法和s量級(jí)的單片機(jī)速度相比。 單片機(jī)只有在確認(rèn)外設(shè)已為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備的前提下才能進(jìn)行I/O操作。 想知道外設(shè)是否準(zhǔn)備好，

2、需I/O接口電路與外設(shè)之間傳送狀態(tài)信息。共五十六頁(yè)2. 輸出(shch)數(shù)據(jù)鎖存 由于單片機(jī)工作(gngzu)速度快，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上保留的時(shí)間十分短暫，無(wú)法滿足慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)接收。I/O電路應(yīng)具有數(shù)據(jù)鎖存器，以保證接收設(shè)備接收。3. 輸入數(shù)據(jù)三態(tài)緩沖 輸入設(shè)備向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，但數(shù)據(jù)總線上面可能“掛”有多個(gè)數(shù)據(jù)源，為不發(fā)生沖突，只允許當(dāng)前正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)源使用數(shù)據(jù)總線，其余的應(yīng)處于隔離狀態(tài)。共五十六頁(yè)9.1.2 I/O端口的編址首先清楚(qng chu)I/O接口（Interface）和I/O端口（Port）的概念。I/O端口：簡(jiǎn)稱(jinchng)I/O口，指具有端口地址的寄存器或

3、 緩沖器。I/O接口：是指單片機(jī)與外設(shè)間的I/O接口芯片。一個(gè)I/O接口芯片可以有多個(gè)I/O端口，（1）數(shù)據(jù)口（2）命令口（3）狀態(tài)口I/O端口編址是給所有I/O接口中的寄存器編址。共五十六頁(yè)I/O端口編址兩種方式：獨(dú)立(dl)編址與統(tǒng)一編址。1獨(dú)立(dl)編址方式 I/O寄存器地址空間和存儲(chǔ)器地址空間分開(kāi)編址，但需專門讀寫I/O的指令和控制信號(hào)。2統(tǒng)一編址方式 I/O寄存器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元同等對(duì)待，統(tǒng)一編址。不需要專門的I/O指令，直接使用訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令進(jìn)行I/O操作，簡(jiǎn)單、方便且功能強(qiáng)。共五十六頁(yè)MCS-51使用(shyng)統(tǒng)一編址的方式 每一接口芯片中的一個(gè)功能寄存器（端口）的地

4、址(dzh)就相當(dāng)于一個(gè)RAM單元。9.1.3 I/O數(shù)據(jù)的幾種傳送方式 為實(shí)現(xiàn)和不同的外設(shè)的速度匹配，I/O接口必須根據(jù)不同外設(shè)選擇恰當(dāng)?shù)腎/O數(shù)據(jù)傳送方式。 I/O數(shù)據(jù)傳送的幾種傳送方式是：（1）同步傳送（2）異步傳送（3）中斷傳送。共五十六頁(yè)1.同步(tngb)傳送方式（無(wú)條件傳送） 當(dāng)外設(shè)速度和單片機(jī)的速度相比擬時(shí)，常采用同步傳送方式，最典型(dinxng)的同步傳送就是單片機(jī)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送。2.查詢傳送方式（條件傳送，異步式傳送）查詢外設(shè)“準(zhǔn)備好”后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。優(yōu)點(diǎn)：通用性好，硬件連線和查詢程序十分簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)：效率不高。為提高效率，通常采用中斷傳送方式。共五十六

5、頁(yè)3.中斷傳送(chun sn)方式. 外設(shè)準(zhǔn)備好后，發(fā)中斷請(qǐng)求，單片機(jī)進(jìn)入與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送(chun sn)的中斷服務(wù)程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送(chun sn)。中斷服務(wù)完成后又返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。工作效率高。9.1.4 I/O接口電路 如何實(shí)現(xiàn)I/O接口的擴(kuò)展。Intel公司的配套可編程I/O接口芯片的種類齊全，為擴(kuò)展I/O接口提供了很大的方便。共五十六頁(yè)常用的外圍I/O接口(ji ku)芯片有：（1）8255A：可編程的通用(tngyng)并行接口電路（3個(gè)8位I/O口）。（2）8155H：可編程的IO/RAM擴(kuò)展接口電路（2個(gè)8位I/O口,1個(gè)6位I/O口, 256個(gè)RAM字節(jié)單元，1個(gè)14

6、位的減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）。可與MCS-51單片機(jī)直接連接，接口邏輯十分簡(jiǎn)單 此外，74LS系列的TTL電路也可以作為MCS-51的擴(kuò)展I/O口，如74LS244、 74LS273等。共五十六頁(yè)最后介紹利用(lyng)串行口來(lái)擴(kuò)展并行I/O口。9.2 MCS-51與可編程并行I/O芯片(xn pin)8255A的接口9.2.1 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(gè)8位的并行I/O口，3種工作方式，可通過(guò)編程改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強(qiáng)。1.引腳說(shuō)明40只引腳，雙列直插式封裝，引腳功能如下：共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)D7D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與

7、單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接(linji)CS*：片選信號(hào)線，低電平有效(yuxio)，表示本芯片被選中RD*：讀出信號(hào)線，控制8255A中數(shù)據(jù)的讀出高WR*：寫入信號(hào)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(lái)選擇8255A內(nèi)部的4個(gè)端口。共五十六頁(yè)2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)共五十六頁(yè)（1）端口A、B、C功能和結(jié)構(gòu)上有些(yuxi)差異 PA口：輸出鎖存和緩沖(hunchng)；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(gè)4位

8、端口，作為PA口、PB口選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。共五十六頁(yè)(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)(gnj)“命 令字”對(duì)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(zuwi)8255A與單片機(jī)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(lái)的控制信號(hào)、RESET、地址信號(hào)A1、A0等。對(duì)端口進(jìn)行讀寫。各端口的工作狀態(tài)與控制信號(hào)的關(guān)系如表9-1所示。共五十六頁(yè)表9-1 8255A端口工作狀態(tài)(zhungti)選擇A1A0RD

9、*WR*CS*工作狀態(tài)00010讀端口A：A口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線讀端口B：B口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線 讀端口C：C口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線010101001000100寫端口A：總線數(shù)據(jù)A口寫端口B：總線數(shù)據(jù)B口寫端口C：總線數(shù)據(jù)C口寫控制字：總線數(shù)據(jù)控制字寄存器0110010100111001數(shù)據(jù)總線為三態(tài)11010非法狀態(tài)110數(shù)據(jù)總線為三態(tài)共五十六頁(yè)9.2.2 工作方式選擇控制(kngzh)字及C口置位/復(fù)位控制(kngzh)字8255A有三種工作(gngzu)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(lái)

10、決定?？刂谱指袷饺缦?。共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)C口上半部分(b fen)（PC7PC4）隨A口稱為A組，C口下半部分(b fen)（PC3PC0）隨B口稱為B組。 其中A口可工作于方式0、1、和2，而B(niǎo)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。共五十六頁(yè)2. C口按位置(wi zhi)位/復(fù)位控制字可對(duì)C口8位中的任一位置(wi zhi)“1”或清“0”。用于位控。共五十六頁(yè)例如(lr)：控制字07H寫入控制口，置“1” PC3； 08H寫入控制口，清“0”

11、PC4。9.2.3 8255A的三種(sn zhn)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(duì)8255A進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)條件傳送 例如:從口線讀入一組開(kāi)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(hào)，共五十六頁(yè)基本功能為：（1）具有(jyu)兩個(gè)8位端口（A、B）和兩個(gè)4位端口（C的上半部分和下半部分）。（2）任一個(gè)端口都可以設(shè)定為輸入(shr)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

12、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AMOVX DPTR，A ；83H送控制字寄存器共五十六頁(yè)2. 方式(fngsh)1 選通輸入(shr)/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(hào)如圖9-5所示，STB*與IBF構(gòu)成了一對(duì)應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)，聯(lián)絡(luò)信號(hào)的功能如下圖：共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)STB*：選通輸入，是由輸入外設(shè)送來(lái)的輸入信號(hào)。IBF：輸入緩沖器滿，高電平有效。表示(biosh)數(shù)據(jù)已送入 82

13、55A的輸入鎖存器，它由STB*信號(hào)的下降沿置 位，由信號(hào)的上升沿使其復(fù)位INTR：中斷請(qǐng)求信號(hào)(xnho)，高電平有效。由8255A輸出， 向單片機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)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(jiàn)圖9-6。共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)（2）方式(fngsh)1輸出 如圖9-7所示。OBF*與ACK*構(gòu)成了一對(duì)應(yīng)答聯(lián)絡(luò)(linlu)信號(hào)，各信號(hào)的功能如下：OBF*：輸出緩沖器滿信號(hào)，8255A給外設(shè)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，外設(shè)可以將數(shù)據(jù)取走。ACK*：外設(shè)的響應(yīng)信號(hào)，外設(shè)已將數(shù)據(jù)取走。INTR*：中斷請(qǐng)求信號(hào)。表示該數(shù)據(jù)已被外設(shè)取走， 請(qǐng)

14、求單片機(jī)繼續(xù)輸出下一個(gè)數(shù)據(jù)。INTE A：中斷允許，由PC6控制。INTE B：中斷允許，由PC2控制。共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)B口的方式(fngsh)1輸出如圖9-8所示：共五十六頁(yè)3.方式(fngsh)2只有A口才能設(shè)定為方式(fngsh)2。圖9-9為方式2工作示意圖。在方式2下，PA7PA0為雙向I/O總線。 當(dāng)輸入時(shí)，PA7PA0受STBA*和IBFA控制，其工作過(guò)程和方式1輸入時(shí)相同； 當(dāng)輸出時(shí)，PA7PA0受OBFA*、ACKA*控制，其工作過(guò)程和方式1輸出時(shí)相同。共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)9.2.4 MCS-51單片機(jī)和8255A的接口(ji ku)1.硬件接口(ji ku)電路 如圖9

15、-10是8031擴(kuò)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9-10中8255A各端口寄存器的地址為：A口： FF7CHB口： FF7DHC口： FF7EH控制寄存器： FF7FH共五十六頁(yè)共五十六頁(yè) 3.軟件(run jin)編程例9-1 要求(yoqi)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AMOVDPTR,#0FF7FH ；控制寄存器

16、地址DPTRMOVX DPTR,A ；方式控制字控制寄存器MOVDPTR,#0FF7CH ；A口地址DPTRMOVX A,DPTR ；從A口讀數(shù)據(jù)MOV DPTR,#0FF7DH ；B口地址DPTRMOV A,#DATA1 ；要輸出的數(shù)據(jù)DATA1AMOVX DPTR,A ；將DATA1送B口輸出MOV DPTR,#0FF7EH ；C口地址DPTR共五十六頁(yè)MOV A,#DATA2 ；DATA2AMOVX DPTR,A ；將數(shù)據(jù)(shj)DATA2送C口輸出例9-2 對(duì)端口C的置位/復(fù)位(f wi)。把PC5置位，控制字為0BH MOV R1,#7FH ；控制口地址R1 MOV A,#0BH

17、；控制字AMOVX R1,A ；控制字控制口，PC5=1把PC5復(fù)位，控制字為0AHMOV R1,#7FH ；控制口地址R1 MOV A,#0AH ；控制字AMOVX R1,A ；控制字控制口，PC5=09.3 MCS-51單片機(jī)與8155H的接口共五十六頁(yè)9.3 .1 8155H芯片(xn pin)介紹1.8155H的邏輯(lu j)結(jié)構(gòu)如圖9-11所示。共五十六頁(yè)2.8155H的引腳功能(gngnng)8155H的引腳功能（1）AD7AD0（8條）（2）I/O總線(zn xin)（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

18、許 TIMERIN和TIMEROUT*：（4）電源線（2條） Vcc：+5V電源 Vss：地共五十六頁(yè)CE*IO/M*A7A6A5A4A3A2A1A0所選的端口01000命令/狀態(tài)寄存器01001A口01010B口01011C口01100計(jì)數(shù)器低8位01101計(jì)數(shù)器高6位00RAM單元3.CPU對(duì)8155H I/O端口的控制(kngzh)(1) 8155H各端口地址分配(fnpi)共五十六頁(yè)（2）8155H的命令字共五十六頁(yè)（3）8155H的狀態(tài)字共五十六頁(yè)9.3.2 8155H的工作(gngzu)方式1.存儲(chǔ)器方式(fngsh) 對(duì)片內(nèi)RAM單元進(jìn)行讀寫，若IO/M*=0和CE*=0，則通過(guò)

19、AD7AD0上的地址對(duì)RAM存儲(chǔ)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?？蓪?duì)片內(nèi)任一寄存器讀寫，端口地址由A2、A1、A0三位決定（見(jiàn)表9-2）。共五十六頁(yè)C口通用I/O方式選通I/O方式ALT1ALT2ALT3ALT4PC0輸入輸出AINTR（A口中斷）AINTR（A口中斷）PC1輸入輸出ABF（A口緩沖器滿）ABF（A口緩沖器滿）PC2輸入輸出ASTB* （A口選通）ASTB* （A口選通）PC3輸入輸出輸出BINTR（B口中斷）PC4輸入輸出輸出BBF（B口緩沖器滿）PC5輸入輸出輸出BSTB* （B口選通）表9-3

20、C口在兩種I/O工作(gngzu)方式下各位定義 共五十六頁(yè)（1）基本(jbn)I/O方式（2）選通I/O方式(fngsh) (見(jiàn)右圖） a.選通I/O輸入b.選通I/O輸出共五十六頁(yè)3. 內(nèi)部(nib)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及使用 14位的減1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)(j sh)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式由寫入計(jì)數(shù)寄存器的控制字來(lái)確定。計(jì)數(shù)器的兩個(gè)寄存器的格式如圖9-16。共五十六頁(yè)T13T0:計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度(chngd)M2、M1:設(shè)置(shzh)定時(shí)器的4種工作方式4種工作方式及相應(yīng)輸出波形如圖9-17。共五十六頁(yè)9.3.3 MCS-51與8155H接口(ji ku)及軟件編程1.MCS-51與8155H的硬件(y

21、n jin)接口電路共五十六頁(yè)2. 8155H的編程舉例(j l)8155H(1) 初始化程序設(shè)計(jì)(chn x sh j)例9-3 若A口定義為基本輸入方式，B口定義為基本輸出方 式，對(duì)輸入脈沖進(jìn)行24分頻，初始化程序如下：START:MOV DPTR, 7F04H ；指針指向定時(shí)器低8位MOV A,18H ；計(jì)數(shù)初值24送A, MOVX DPTR,A ；計(jì)數(shù)初值低8位裝入定時(shí)器INC DPTR ；指針指向定時(shí)器高8位MOV A,40H ；設(shè)定時(shí)器連續(xù)方波輸出MOVX DPTR,A ；計(jì)數(shù)初值高6位裝入定時(shí)器MOV DPTR,7F00H ；指向命令/狀態(tài)口MOV A,#0C2H ；設(shè)定命令控制

22、字MOVX DPTR,A ；A口輸入，B口輸出,開(kāi)定時(shí)器共五十六頁(yè)9.4 用74LSTTL電路(dinl)擴(kuò)展并行I/O口 利用74LS273和74LS244，將P0口擴(kuò)展成簡(jiǎn)單的輸入、輸出(shch)口的電路。 74LS273輸出端接8個(gè)LED發(fā)光二極管，以顯示8個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)狀態(tài)，某位低電平時(shí)二極管發(fā)光。 74LS244是緩沖驅(qū)動(dòng)器，擴(kuò)展輸入口，接8個(gè)按鈕開(kāi)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(dāng)P2.0=0,WR*=0(RD*=)選中寫74LS273， 8031通過(guò)P0口輸出數(shù)據(jù)到74LS273，； 當(dāng)P2.0=0

23、,RD*=0(WR*=1)時(shí)選中讀74LS244, 某開(kāi)關(guān)按下時(shí)則對(duì)應(yīng)位輸入為“0”。共五十六頁(yè)共五十六頁(yè)輸出(shch)程序段：MOV A,#data ；數(shù)據(jù)AMOV DPTR,#0FEFFH；I/O地址DPTRMOVX DPTR,A ；WR*為低，數(shù)據(jù)經(jīng)74LS273口輸出輸入(shr)程序段： 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例9-6 編寫程序把按鈕開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)圖9-20中的發(fā)光二極管顯示出來(lái)。程序如下：DDIS:MOV DPTR,#0FEFFH ；輸入口地址DPTRLP:MOVX A,DP

24、TR ；按鈕開(kāi)關(guān)狀態(tài)讀入A中共五十六頁(yè)MOVX DPTR,A ；A中數(shù)據(jù)送輸出口(ch ku)SJMP LP ；反復(fù)連續(xù)執(zhí)行9.5 用MCS-51的串行口擴(kuò)展(kuzhn)并行口9.5.1 用74LS165擴(kuò)展并行輸入口共五十六頁(yè)例9-7 從16位擴(kuò)展口讀入5組數(shù)據(jù)（每組二個(gè)字節(jié)），并把它們(t men)轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM 20H開(kāi)始的單元中。MOV R7,#05H ；設(shè)置(shzh)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(kuò) ；74LS165的個(gè)數(shù)RXDAT: MOV SCON,#10H ；設(shè)串口方式0，允許接收，啟動(dòng)WAIT: JNB RI,WAIT ；未接收完一幀，循環(huán)等待CLR R