[工学]单片机第9章课件 MCS-51扩展IO接口的设计.ppt

第9章 MCS-51扩展I/O接口的设计 9.1 I/O接口扩展概述 I/O (输入/输出)接口是MCS-51与外设交换数字信 息的桥梁。 I/O扩展也属于系统扩展的一部分。 MCS-51真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O线和 P3口的某些位线。 在多数应用系统中，MCS-51单片机都需要外扩I/O 接口电路。 9.1.1 I/O接口的功能 I/O接口电路应满足以下要求： 1.实现和不同外设的速度匹配 大多数的外设的速度很慢，无法和s量级的单片机速 度相比。 单片机只有在确认外设已为数据传送做好准备的前提 下才能进行I/O操作。 想知道外设是否准备好，需I/O接口电路与外设之间 传送状态信息。 2. 输出数据锁存 由于单片机工作速度快，数据在数据总线上保留的时 间十分短暂，无法满足慢速外设的数据接收。I/O 电路应具有数据输出锁存器，以保证接收设备接 收。 3. 输入数据三态缓冲 输入设备向单片机输入数据时，但数据总线上面可能 “挂”有多个数据源，为不发生冲突，只允许当前 正 在进行数据传送的数据源使用数据总线，其余的应 处于隔离状态。 9.1.2 I/O端口的编址 首先清楚I/O接口（Interface）和I/O端口（Port）的 概念。 I/O端口：简称I/O口，指具有端口地址的寄存器或 缓冲器。 I/O接口：是指单片机与外设间的I/O接口芯片。 一个I/O接口芯片可以有多个I/O端口，分为： （1）数据口（2）命令口（3）状态口 I/O端口编址是给所有I/O接口中的寄存器编址。 I/O端口编址两种方式：独立编址与统一编址。 1独立编址方式 I/O寄存器地址空间和存储器地址空间分开编址，但 需专门读写I/O的指令和控制信号。 2统一编址方式 I/O寄存器与数据存储器单元同等对待，统一编址。 不需要专门的I/O指令，直接使用访问数据存储器 的指令进行I/O操作，简单、方便且功能强。 MCS-51使用统一编址的方式 每一接口芯片中的一个功能寄存器（端口）的地址就 相当于一个RAM单元。 9.1.3 I/O数据的几种传送方式 为实现和不同的外设的速度匹配，I/O接口必须根据 不同外设选择恰当的I/O数据传送方式。 I/O数据传送的几种传送方式是： （1）同步传送（2）异步传送（3）中断传送。 1.同步传送方式（无条件传送） 当外设速度和单片机的速度相比拟时，常采用同步传 送方式，最典型的同步传送就是单片机和外部数据 存储器之间的数据传送。 2.查询传送方式（条件传送，异步式传送） 查询外设“准备好”后，再进行数据传送。 优点：通用性好，硬件连线和查询程序十分简单， 缺点：效率不高。 为提高效率，通常采用中断传送方式。 3.中断传送方式 外设准备好后，发中断请求，单片机进入与外设数 据传送的中断服务程序，进行数据的传送。 中断服务完成后又返回主程序继续执行。工作效率 高。. 如何实现I/O接口的扩展。Intel公司的配套可编程 I/O接口芯片的种类齐全，为扩展I/O接口提供 了很大的方便。 常用的外围I/O接口芯片有： （1）82C55：可编程的通用并行接口电路（3个8位 I/O口）。 （2）81C55：可编程的IO/RAM扩展接口电路（2个8 位I/O口,1个6位I/O口, 256个RAM字节单元， 1个14位的减法定时器/计数器）。 可与MCS-51单片机直接连接，接口逻辑十分简单。 此外，74LS系列的TTL电路也可以作为MCS-51的扩展 I/O口，如74LS244、 74LS273等。 最后介绍利用串行口来扩展并行I/O口。 9.2 MCS-51与可编程并行I/O芯片8255A的接口 9.2.1 8255A芯片介绍 8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片， 具有3个8位的并行I/O口，3种工作方式，可通过 编程改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强。 1.引脚说明 40只引脚，双列直插式封装，引脚功能如下： D7D0：三态双向数据线，与单片机数据总线连接 CS*：片选信号线，低电平有效，表示本芯片被选中 RD*：读出信号线，控制8255A中数据的读出高 WR*：写入信号线，控制向8255A数据的写入。 Vcc：+5V电源。 PA7PA0：A口输入/输出线。 PB7PB0：B口输入/输出线。 PC7PC0：C口输入/输出线。 A1、A0：地址线，用来选择8255A内部的4个端口。 2.内部结构 （1）端口A、B、C 功能和结构上有些差异 PA口：输出锁存和缓冲；输入锁存 PB口：输出锁存和缓冲；输入缓冲 PC口：输出锁存；数据输入缓冲 PC口可在软件的控制下，分为两个4位端口，作为 PA口、PB口选通方式操作时的状态控制信号。 (2)A组和B组控制电路 A组：PA口和PC口的上半部（PC7PC4）； B组：PB口和PC口的下半部（PC3PC0）,可根据“命 令字”对PC口按位“置1”或“清0”。 (3)数据总线缓冲器线线 三态双向，作为8255A与单片机数据线之间接口， 传送数据、指令、控制命令及外部状态信息。 (4)读/写控制逻辑电路线 该电路接收CPU发来的控制信号、RESET、地址信 号A1、A0等。对端口进行读写。 各端口的工作状态与控制信号的关系如表9-1所示。 表9-1 8255A端口工作状态选择 A1A0RD*WR*CS*工作状态 00010读端口A：A口数据数据总线 读端口B：B口数据数据总线 读端口C：C口数据数据总线 01010 10010 00100写端口A：总线数据A口 写端口B：总线数据B口 写端口C：总线数据C口 写控制字：总线数据控制字寄 存器 01100 10100 11100 1数据总线为三态 11010非法状态 110数据总线为三态 9.2.2 工作方式选择控制字及C口置位/复位控制字 8255A有三种工作方式： (1) 方式0：基本输入输出； (2) 方式1：选通输入输出； (3) 方式2：双向传送（仅A口有）。 1.工作方式选择控制字 三种工作方式由方式控制字来决定。 控制字格式如下。 C口上半部分（PC7PC4）随A口称为A组， C口下半部分（PC3PC0）随B口称为B组。 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：写入工作方式控制字95H 可将8255A编程为：A口方式0输入，B口方式1输出， C口的上半部分（PC7 PC4）输出，C口的下半部分 （PC3PC0）输入。 2. C口按位置位/复位控制字 可对C口8位中的任一位置“1”或清“0”。用于位控。 例如：控制字07H写入控制口，置“1” PC3； 08H写入控制口，清“0” PC4。 9.2.3 8255A的三种工作方式 1.方式0 基本的输入/输出方式。 外设的I/O数据可在8255A的各端口得到锁存和缓冲 MCS-51可对8255A进行数据的无条件传送 例如:从口线读入一组开关状态，向端口输出数字 量，控制一组指示灯的亮、灭。不需要联络信号， 基本功能为： （1）具有两个8位端口（A、B）和两个4位端口（C 的上半部分和下半部分）。 （2）任一个端口都可以设定为输入或输出，各端口 的输入、输出可构成16种组合。 （3）数据输出锁存，输入不锁存。 例 假设8255A的控制字寄存器地址为FF7FH，则令A口 和C口的高4位工作在方式0输出， B口和C口的低4位 工作于方式0输入，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 选通输入/输出工作方式。A口和B口通常用于I/O数 据传送，C口用作A口和B口的联络线，以中断方式传 送数据。 (1) 方式1输入 控制联络信号如图9-5所示，STB*与IBF构成了一 对应答联络信号，联络信号的功能如下图： STB*：选通输入，是由输入外设送来的输入信号。 IBF：输入缓冲器满，高电平有效。表示数据已送入 8255A的输入锁存器，它由STB*信号的下降沿置 位，由信号的上升沿使其复位 INTR：中断请求信号，高电平有效。由8255A输出， 向单片机发中断请求。 INTE A：A口中断允许，由PC4控制， INTE B：B口中断允许，由PC2控制。 A口的方式1输入工作方式见图9-6。 （2）方式1输出 如图9-7所示。OBF*与ACK*构成了一对应答联络信 号，各信号的功能如下： OBF*：输出缓冲器满信号，8255A给外设的联络信号 ，外设可以将数据取走。 ACK*：外设的响应信号，外设已将数据取走。 INTR*：中断请求信号。表示该数据已被外设取走， 请求单片机继续输出下一个数据。 INTE A：中断允许，由PC6控制。 INTE B：中断允许，由PC2控制。 B口的方式1输出如图9-8所示： 3.方式2 只有A口才能设定为方式2。图9-9为方式2工作示意图。 在方式2下，PA7PA0为双向I/O总线。 当输入时，PA7PA0受STBA*和IBFA控制，其工作 过程和方式1输入时相同； 当输出时，PA7PA0受OBFA*、ACKA*控制，其工作 过程和方式1输出时相同。 9.2.4 MCS-51单片机和8255A的接口 1.硬件接口电路 如图9-10是8031扩展1片8255A的电路图。74LS373是地 址锁存器，P0.1、P0.0经74LS373与8255A的地址线A1、A0 连接； P0.7经74LS373与片选端相连，其他地址线悬空。 2.端口地址确定 图9-10中8255A各端口寄存器的地址为： A口： FF7CH B口： FF7DH C口： FF7EH 控制寄存器： FF7FH 3.软件编程 例9-1 要求8255A工作在方式0，且A口作为输入，B口、 C口作为输出，程序如下： MOV A,#90H ；A口方式0输入，B口、 ；C口输出的控制字送A MOVDPTR,#0FF7FH ；控制寄存器地址DPTR MOVX DPTR,A ；方式控制字控制寄存器 MOVDPTR,#0FF7CH ；A口地址DPTR MOVX A,DPTR ；从A口读数据 MOV DPTR,#0FF7DH ；B口地址DPTR MOV A,#DATA1 ；要输出的数据DATA1A MOVX DPTR,A ；将DATA1送B口输出 MOV DPTR,#0FF7EH ；C口地址DPTR MOV A,#DATA2 ；DATA2A MOVX DPTR,A ；将数据DATA2送C口输出 例9-2 对端口C的置位/复位。 把PC5置位，控制字为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复位，控制字为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 9.3 MCS-51单片机与8155H的接口 9.3.1 8155H芯片介绍 1.8155H的逻辑结构 如图9-11所示。 2.8155H的引脚功能8155H的引脚功能 （1）AD7AD0（8条） （2）I/O总线（22条） （3）控制总线（8条） RESET：复位输入线 CE*和IO/M* RD*和WR* ALE：地址锁存允许 TIMERIN和TIMEROUT*： （4）电源线（2条） Vcc：+5V电源 Vss：地 CE*IO/M*A7A6A5A4A3A2A1A0所选的端口 01000命令/状态寄存器 01001A口 01010B口 01011C口 01100计数器低8位 01101计数器高6位 00RAM单元 3.CPU对8155H I/O端口的控制 (1) 8155H各端口地址分配 （2）8155H的命令字 （3）8155H的状态字 9.3.2 8155H的工作方式 1.存储器方式 对片内RAM单元进行读写，若IO/M*=0和CE*=0，则 通过AD7AD0上的地址对RAM存储器任一单元读写。 2.I/O方式 8155H的I/O方式分为基本I/O和选通I/O两种工作 方式，如表9-3所示。可对片内任一寄存器读写， 端口地址由A2、A1、A0三位决定（见表9-2）。 C口通用I/O方式选通I/O方式 ALT1ALT2ALT3ALT4 PC0输入输出AINTR（A口 中断） AINTR（A口中断） PC1输入输出ABF（A口缓 冲器满） ABF（A口缓冲器满 ） PC2输入输出ASTB* （A 口选通） ASTB* （A口选通） PC3输入输出输出BINTR（B口中断） PC4输入输出输出BBF（B口缓冲器满 ） PC5输入输出输出BSTB* （B口选通） 表9-3 C口在两种I/O工作方式下各位定义 （1）基本I/O方式 （2）选通I/O方式 (见右图） a.选通I/O输入 b.选通I/O输出 3. 内部定时器/计数器及使用 14位的减1定时器/计数器，计数长度和计数方式 由写入计数寄存器的控制字来确定。 计数器的两个寄存器的格式如图9-16。 T13T0:计数器长度 M2、M1:设置定时器的4种工作方式 4种工作方式及相应输出波形如图9-17。 9.3.3 MCS-51与8155H接口及软件编程 1.硬件接口电路 2. 编程举例8155H (1) 初始化程序设计 例9-3 若A口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方 式，对输入脉冲进行24分频，初始化程序如下： START:MOV DPTR, 7F04H ；指针指向定时器低8位 MOV A,18H ；计数初值24送A, MOVX DPTR,A ；计数初值低8位装入定时器 INC DPTR ；指针指向定时器高8位 MOV A,40H ；设定时器连续方波输出 MOVX DPTR,A ；计数初值高6位装入定时器 MOV DPTR,7F00H ；指向命令/状态口 MOV A,#0C2H ；设定命令控制字 MOVX DPTR,A ；A口输入，B口输出,开定时器 9.4 用74LSTTL电路扩展并行I/O口 利用74LS273和74LS244，将P0口扩展成简单的输入 、输出口的电路。 74LS273输出端接8个LED发光二极管，以显示8个按 钮开关状态，某位低电平时二极管发光。 74LS244是缓冲驱动器，扩展输入口，接8个按钮开 关。 74LS273和74LS244的工作受8031的P2.0、RD*、WR* 三条控制线控制。电路的工作原理如下: 当P2.0=0,WR*=0(RD*=)选中写74LS273， 8031 通过P0口输出数据到74LS273，； 当P2.0=0,RD*=0(WR*=1)时选中读74LS244, 某开关 按下时则对应位输入为“0”。 输出程序段： MOV A,#data ；数据A MOV DPTR,#0FEFFH；I/O地址DPTR MOVX DPTR,A ；WR*为低，数据经74LS273口输出 输入程序段： MOV DPTR,#0FEFFH ；I/O地址DPTR MOVX A,DPTR；RD*为低，74LS244口 ；数据读入内部RAM 例9-6 编写程序把按钮开关状态通过图9-20中的发 光二极管显示出来。程序如下： DDIS: MOV DPTR,#0FEFFH ；输入口地址DPTR LP:MOVX A,DPTR ；按钮开关状态读入A中 MOVX DPTR,A ；A中数据送输出口 SJMP LP ；反复连续执行 9.5 用MCS-51的串行口扩展并行口 9.5.1 用74LS1