飞卡单片机与嵌入式系统实践第4章

1、TM2015年年6月月单片机与嵌入式系统实践单片机与嵌入式系统实践第四章第四章 输入输入/输出接口技术输出接口技术TMSlide 1目录目录4.1 I/O4.1 I/O接口概述接口概述4.1.1 I/O4.1.1 I/O接口基本功能接口基本功能4.1.2 I/O4.1.2 I/O接口分类与控制方式接口分类与控制方式4.2 HCS084.2 HCS08单片机单片机GPIOGPIO结构与原理结构与原理4.2.1 GPIO4.2.1 GPIO引脚分布与功能引脚分布与功能4.2.2 GPIO4.2.2 GPIO结构与工作原理结构与工作原理4.2.3 4.2.3 端口相关寄存器设置端口相关寄存器设置4.

2、3 I/O4.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计4.3.1 4.3.1 端口的输入和输出电流端口的输入和输出电流4.3.2 4.3.2 端口上拉与下拉电阻端口上拉与下拉电阻4.4 4.4 项目实践项目实践 项目1 开关控制LED状态 项目2 流水霓虹灯的制作TMSlide 24.1 I/O4.1 I/O接口概述接口概述I/O接口位于系统总线与外设之间，系统总线通常是标准且通用的，而I/O设备则各具特殊性，因此在它们之间设置接口部件以解决数据缓冲、数据格式转换、通信控制、电平匹配一类的问题。在嵌入式系统接口中最常见也是最基本形式的就是通用I/O接口，即GPIO (General

3、Purpose I/O)，它由一组输入或输出引脚组成用来实现单片机与外部设备的信息交换，并完成控制和数据采集。TMSlide 34.1 I/O4.1 I/O接口概述接口概述4.1.1 I/O接口基本功能一般讲，I/O接口的基本功能可慨括为以下几个方而：(1) 数据缓冲功能(2) 设备选择功能(3) 数据格式转换功能(4) 电平信号转换功能(5) 控制功能TMSlide 44.1 I/O4.1 I/O接口概述接口概述4.1.2 I/O接口分类与控制方式1、I/O接口分类接口分类(1) 按数据传送格式分类：并行接口、串行接口(2) 按用途分类：专用接口芯片、通用接口芯片2、I/O接口控制方式接口控

4、制方式（1）程序直接控制方式： 无条件传送、程序查询（2）程序中断传送方式TMSlide 54.2 HCS084.2 HCS08单片机单片机GPIOGPIO结构与原理结构与原理 4 4.2.1 GPIOGPIO引脚分布引脚分布与功能与功能HCHCS08AC系列系列单片机单片机有有7个并行个并行I/O接口，接口，共计共计34个引脚（个引脚（LQFP44封装）封装）1 1）PTA(01) A口口2个引脚仅具有普通个引脚仅具有普通I/O引脚功能，没有与其他功能模块复用。引脚功能，没有与其他功能模块复用。2 2）PTB(03) B口口4个引脚可与个引脚可与ADC1模块、模块、TPM3模块共用。模块共用

5、。3 3）PTC(05) C口口6个引脚可与个引脚可与SCI2、IIC1及及MCLK模块共用。模块共用。4 4）PTD(03) D口口4个引脚可与个引脚可与ADC1、KBI1模块共用。模块共用。5 5）PTE(07) E口口8个引脚可与个引脚可与SCI1、TPM1及及SPI1模块共用。模块共用。6 6）PTF(0/1/4/5) F口口4个引脚可与个引脚可与TPM1及及TPM2模块共用。模块共用。7 7）PTG(03/5/6) G口口6个引脚可与个引脚可与ICG及及KBI1模块共用模块共用TMSlide 64.2 HCS084.2 HCS08单片机单片机GPIOGPIO结构与原理结构与原理4.2

6、.2 GPIO结构与工作原理 HCS08单片机的端口作为GPIO使用时，单个引脚的简化功能逻辑示意图如下所示，其内部各个寄存器可单独设置，使其具有输入、输出、内部上拉选择、斜率控制及输出驱动强度控制等功能，这些寄存器相互独立使用并通过内部数据总线连接至控制机构。TMSlide 74.2 HCS08单片机单片机GPIO结构与原理结构与原理（1）数据寄存器PTxDn该寄存器用于决定此时引脚上电平状态。（2）引脚方向寄存器：PTxDDn该寄存器用来设定对应引脚是用于输入还是输出。若寄存器对应状态位上数值为“0”则表示输入，对应状态位上数值为“1”则表示输出。（3）内部上拉使能寄存器PTxPEn该寄存

7、器可设定端口的某引脚是否使能内部上拉器件。（4）斜率使能寄存器PTxSEn该寄存器可设定该端口的某引脚是否使能斜率控制。（5）输出驱动强度寄存器PTxDSn该寄存器设置对应的位可以选择该引脚是高驱动强度或低驱动强度，高驱动时能够送出或吸收更大的电流。TMSlide 84.2 HCS08单片机单片机GPIO结构与原理结构与原理 4.2.3 端口相关寄存器设置（1 1）端口数据寄存器）端口数据寄存器PTxDPTxD 当端口引脚为输入时，数据寄存器各位表示读取引脚的逻辑电平；当引脚当端口引脚为输入时，数据寄存器各位表示读取引脚的逻辑电平；当引脚为输出时，寄存器各位逻辑电平表示相应的为输出时，寄存器各

8、位逻辑电平表示相应的MCUMCU引脚驱动电平。引脚驱动电平。TMSlide 94.2 HCS08单片机单片机GPIO结构与原理结构与原理 4.2.3 端口相关寄存器设置（2 2）端口数据方向寄存器）端口数据方向寄存器PTxDDPTxDD 端口数据方向寄存器各状态位可控制端口引脚的方向端口数据方向寄存器各状态位可控制端口引脚的方向0 0 ：表示引脚方向为输入（输出禁止），可通过读：表示引脚方向为输入（输出禁止），可通过读PTxDPTxD操作取得对应引脚电操作取得对应引脚电平值。平值。1 1 ：表示引脚方向为输出（输出使能），可通过写：表示引脚方向为输出（输出使能），可通过写PTxDPTxD操作控

9、制对应引脚上操作控制对应引脚上的输出电平。的输出电平。TMSlide 104.2 HCS08单片机单片机GPIO结构与原理结构与原理 4.2.3 端口相关寄存器设置（3 3）端口上拉使能寄存器）端口上拉使能寄存器PTxPEPTxPE 端口内部上拉电阻使能位：每个控制位决定相应的端口内部上拉电阻使能位：每个控制位决定相应的PTxPTx引脚是否允许内部上引脚是否允许内部上拉电阻。当端口设置为输出时，这些位不起作用而且内部上拉电阻被禁止。拉电阻。当端口设置为输出时，这些位不起作用而且内部上拉电阻被禁止。0 0 ：端口：端口n n 位禁止内部上拉电阻。位禁止内部上拉电阻。1 1 ：端口：端口n n 位

10、允许内部上拉电阻。位允许内部上拉电阻。TMSlide 114.2 HCS08单片机单片机GPIO结构与原理结构与原理 4.2.3 端口相关寄存器设置（4 4）端口斜率使能寄存器）端口斜率使能寄存器PTxSEPTxSE 端口输出输出斜率使能位：每个控制位决定相应的端口输出输出斜率使能位：每个控制位决定相应的PTxPTx引脚是否允许输出斜引脚是否允许输出斜率控制。当端口设置为输入时，这些位不起作用。率控制。当端口设置为输入时，这些位不起作用。0 0 ：端口：端口n n 位禁止输出输出斜率控制。位禁止输出输出斜率控制。1 1 ：端口：端口n n 位允许输出输出斜率控制。位允许输出输出斜率控制。TMS

11、lide 124.2 HCS08单片机单片机GPIO结构与原理结构与原理 4.2.3 端口相关寄存器设置（5 5）端口输出驱动强度寄存器）端口输出驱动强度寄存器PTxDSPTxDS端口输出驱动强度选择位：每个控制位决定相应的端口输出驱动强度选择位：每个控制位决定相应的PTxPTx引脚选择低或是高输出引脚选择低或是高输出驱动。当端口作为输入引脚时，该寄存器不起作用驱动。当端口作为输入引脚时，该寄存器不起作用0 0 ：端口：端口n n 位低输出驱动。位低输出驱动。1 1 ：端口：端口n n 位高输出驱动。位高输出驱动。TMSlide 134.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计 4.

12、3.1 端口的输入和输出电流（1 1）输出电流）输出电流 输出电流是指芯片供给外围设备并由其驱动外围设备的电流。当我们需要输出电流是指芯片供给外围设备并由其驱动外围设备的电流。当我们需要用输出电流来驱动外围设备时，驱动电路设计必须要考虑输出电流的驱动能用输出电流来驱动外围设备时，驱动电路设计必须要考虑输出电流的驱动能力，即输出电流的大小。如果输出电流大于驱动设备的工作电流，就需要串力，即输出电流的大小。如果输出电流大于驱动设备的工作电流，就需要串联一个限流电阻；相反地，输出电流小于驱动设备的工作电流，需要增加放联一个限流电阻；相反地，输出电流小于驱动设备的工作电流，需要增加放大电路，提高驱动电

13、流。大电路，提高驱动电流。TMSlide 144.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计 4.3.1 端口的输入和输出电流（1 1）输出电流）输出电流 输出电流是指芯片供给外围设备并由其驱动外围设备的电流。当我们需要输出电流是指芯片供给外围设备并由其驱动外围设备的电流。当我们需要用输出电流来驱动外围设备时，驱动电路设计必须要考虑输出电流的驱动能用输出电流来驱动外围设备时，驱动电路设计必须要考虑输出电流的驱动能力，即输出电流的大小。如果输出电流大于驱动设备的工作电流，就需要串力，即输出电流的大小。如果输出电流大于驱动设备的工作电流，就需要串联一个限流电阻；相反地，输出电流小于驱动设备

14、的工作电流，需要增加放联一个限流电阻；相反地，输出电流小于驱动设备的工作电流，需要增加放大电路，提高驱动电流。大电路，提高驱动电流。TMSlide 154.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计 4.3.1 端口的输入和输出电流（1 1）输出电流）输出电流 输出电流是指芯片供给外围设备并由其驱动外围设备的电流。当我们需要输出电流是指芯片供给外围设备并由其驱动外围设备的电流。当我们需要用输出电流来驱动外围设备时，驱动电路设计必须要考虑输出电流的驱动能用输出电流来驱动外围设备时，驱动电路设计必须要考虑输出电流的驱动能力，即输出电流的大小。如果输出电流大于驱动设备的工作电流，就需要串力，

15、即输出电流的大小。如果输出电流大于驱动设备的工作电流，就需要串联一个限流电阻；相反地，输出电流小于驱动设备的工作电流，需要增加放联一个限流电阻；相反地，输出电流小于驱动设备的工作电流，需要增加放大电路，提高驱动电流。大电路，提高驱动电流。TMSlide 164.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计 4.3.1 端口的输入和输出电流（2 2）输入电流）输入电流 输入电流是指从接口外设输入电流是指从接口外设“流入流入”到芯片的电流。在实际使用时，要特别到芯片的电流。在实际使用时，要特别注意芯片注意芯片I/OI/O口所能承受的输入电流最大值，如长时间超过端口所能承受的最口所能承受的输入

16、电流最大值，如长时间超过端口所能承受的最大值，或瞬间电流峰值很大时，极易损坏芯片端口。通常大值，或瞬间电流峰值很大时，极易损坏芯片端口。通常HCS08HCS08系列的微控制系列的微控制器的器的I/OI/O端口只有端口只有20mA20mA左右的电流吸纳能力，因而在遇到大输入电流的情况下左右的电流吸纳能力，因而在遇到大输入电流的情况下必须在电路中串联一个限流电阻或加入有限流作用的器件，控制输入到端口必须在电路中串联一个限流电阻或加入有限流作用的器件，控制输入到端口引脚上的电流大小，保护芯片端口引脚上的电流大小，保护芯片端口TMSlide 174.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计

17、4.3.2 4.3.2 端口上拉与下拉电阻端口上拉与下拉电阻（1 1）上拉与下拉电阻概念）上拉与下拉电阻概念 上拉电阻，故名思议就是将不确定的信号电平通过一个电阻钳位在高电平，上拉电阻，故名思议就是将不确定的信号电平通过一个电阻钳位在高电平，同时电阻也起到限流作用，一般用于时钟信号、数据信号等。同理，下拉电同时电阻也起到限流作用，一般用于时钟信号、数据信号等。同理，下拉电阻，就是将不确定的信号电平通过一个电阻钳位在低电平，一般用于保护信阻，就是将不确定的信号电平通过一个电阻钳位在低电平，一般用于保护信号。号。TMSlide 184.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计 4.3.2

18、 4.3.2 端口上拉与下拉电阻端口上拉与下拉电阻（2）上拉和下拉电阻使用场合1）当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V），这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。2）OC门电路必须加上拉电阻，才能使用。3）单片机管脚上使用上拉电阻可加大输出引脚的驱动能力。4）为了防止静电造成COMS芯片损坏，不用的管脚不能悬空，可接上拉电阻提供泄荷通路。5）芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。6）一般管脚悬空时比较容易接受外界的电磁干扰，可以通过上拉或下拉来提高总线的抗电磁干扰能

19、力。7）长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。TMSlide 194.3 I/O接口外设驱动电路设计接口外设驱动电路设计 4.3.2 4.3.2 端口上拉与下拉电阻端口上拉与下拉电阻（3）上拉和下拉电阻的选择原则1）驱动能力与功耗的平衡：一般地说，上拉电阻越小，驱动能力越强，但功耗越大，设计时应注意两者之间的均衡。2）下级电路的驱动需求：当输出高电平时，开关管断开，上拉电阻应适当选择以能够向下级电路提供足够的电流。3）高低电平的设定：不同电路的高低电平的阈值会有不同，电阻阻值的选取应以确保能输出正确的电平为准。4）频率特性：使用上拉电阻时会和开关

20、管漏源级之间的电容和下级电路之间的输入电容形成RC延迟，电阻越大，延迟越大，会导致电平边沿变平缓。因而上拉电阻的设定应考虑电路在这方面的需求。TMSlide 204.4 项目实践项目实践项目1 开关控制LED状态要求：要求： 使用MC9S08AC16单片机GPIO接口连接开关和LED小灯，通过4个开关实现对4个LED小灯的相应位置的亮灭控制。方案设计：方案设计： 使用一个8位I/O端口（或2个独立的4位I/O端口）PTE口同时控制4个开关和4个LED小灯，4个开关连接到PTE端口高四位的实现开关量的输入，4个LED小灯采用“灌电流”驱动方式连接到PTE端口低四位实现输出，并根据开关量的0、1状态对其亮灭进行控制。本项目规定开关量输入“0”控制LED小灯亮；开关量输入“1”控制LED小灯