第8章 单片机的并行扩展技术

1、第8章 单片机的并行扩展技术 89C51单片机有4个并行I/O接口，每个8位，但这些接口并不能完全提供给用户使用，在扩展外部资源，不使用串行口、外中断、定时/计数器时，才能对4个并行I/O接口使用。如果片外要扩展，则P0、P2口要被用来做数据总线地址总线，P3口中的某些位也要用来做第二功能信号线。留给用户的I/O线很少。因此在大部分89C51单片机应用(yngyng)中都要进行I/O扩展。I/O扩展接口种类很多，其功能可分为简单I/O接口和可编程I/O接口。简单I/O扩展通过数据缓冲器、锁存器来实现，结构简单，价格便宜，但功能简单。可编程I/O扩展通过可编程接口芯片实现，电路复杂，价格相对较高

2、，但功能全，使用灵活。对于89C51单片机不管是简单I/O接口还是可编程接口，与其他外部设备一样都是与片外数据存储器统一编址。占用片外数据存储器的地址空间，通过片外数据存储器的访问方式访问。共四十二页8.1 I/O接口扩展概述I/O（输入输出）接口是89C51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。当需要扩展时，89C51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。因此在大多数应用系统中，89C51单片机都需要外扩I/O接口电路。8.1.1 I/O接口的功能 介于CPU与外设之间起联络、缓冲、变换作用(zuyng)的输入输出电路叫I/O接口电路，I/O接

3、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，无法和量级的单片机速度相比。单片机只有在确认外设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到数据。共四十二页 3. 输入数据三态缓冲输入设备向单片机输入数据时，由于数据总线上可能“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。 4. 实现各种

4、转换。 有一些(yxi)接口电路可以实现电平的转换，有一些(yxi)接口电路可以实现串行/并行转换或并行/串行转换，还有一些(yxi)接口电路可以实现A/D转换或D/A转换。 注意：一个接口电路不可能同时完成上述的四项功能，但至少具有一项功能8.1.2 I/O端口的编址I/O端口简称I/O口，是指具有地址的寄存器或缓冲器，端口是接口的组成部分。而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端口组成。这些端口分为：共四十二页 1. 数据口 2. 命令口 3. 状态口I/O的端口编址是给所有I/O接口中的寄存器编址。I/O端口编址有以下两种方式： 1. 独立编址

5、 I/O的寄存器地址空间和存储器地址空间分开编址。优点是不占用外部数据存储器的空间；缺点是需要专门的读写控制信号。编程稍为复杂一些。 2. 统一(tngy)编址I/O寄存器与外部数据存储器单元同等对待，统一编址。优点是直接使用访问外部数据存储器的语句进行I/O操作，简单、方便且功能强：缺点是占用了一部分外部数据存储器的地址，使外部数据存储器的可用地址减少了。 89C51单片机采用的是统一编址方式。共四十二页8.1.3 I/O数据的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数据传送有以下传送方式： 1. 同步传送方式。单片机和外部数据存储

6、器之间的数据传送就是采用同步传送方式。 2. 查询传送方式。 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。 3. 中断传送方式。外设准备好后，向CPU发中断请求信号，CPU响应中断后，单片机进入与外设进行数据传送的中断服务程序完成数据的传送。中断服务程序完成后又返回主程序继续执行原来的程序。这种传送方式工作效率高Intel公司的配套可编程I/O接口芯片的种类齐全，为扩展(kuzhn)I/O接口接口提供了很大的方便。共四十二页 1. 简单I/0接口电路利用74LS373、 74LS573、74LS244、74LS273、74LS245等芯片都

7、可以做简单的I/O扩展电路 2. 可编程的I/O接口电路1) 8255A：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IORAM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89C51单片机直接连接，接口逻辑十分简单。8.2 简单I/O接口扩展通常通过数据缓冲器、锁存器来扩展简单I/O口。只要具有输入三态、输出(shch)锁存的电路，就可以用作I/O接口扩展。 ，图8.1是利用74LS373和74LS244扩展的简单I/O接口。其中74LS373扩展并行输出口，74LS244扩展并行输入口。74LS37

8、3是一个带输出三态门的8位锁存器，具有8个输入端DOD7，8个输出端QOQ7，G为高电平时，则把输入端的数据锁存于内部锁存器，为输出允许端，低电平时把锁存器中的内容通过输出端输出。共四十二页74LS244是单向数据(shj)绥冲器，带两个控制端I 和2，当它们为低电平时，输入端D0D7的数据(shj)输出到QOQ7。P0.0P0.789C5188Q7P2.074LS373GQ0.74LS0274LS244Q0.Q7L0.L71k1k.+5VD0D7D0D7K0K7.图8.1 利用74LS373和74LS244扩展的简单I/O接口共四十二页图8.1中74LS373 的控制端G是由89C51单片机

9、的写信号和P2.0通过或非门74LS02的出端相连，输出允许端直接(zhji)接地，所以当74LS373输入端有数据时直接(zhji)通过输出端输出。当执行向片外数据存储器写的语句时，语句中片外数据存储器的地址使P2.0为低电平， 则控制端G有效，数据总线上的数据就送到74LS373的输出端。74LS244的控制端1和2连在一起，89C51单片机的读信号和P2.0通过或门74LS32与1和2相连，当执行从片外数据存储器读语句时，语句中片外数据存储器的地址使P2.0为低电平，则控制端1和2有效，74LS244 输入端的数据通过输出端送到数据总线，然后传送到89C51单片机的内部。 共四十二页 【

10、例8.1】 在图8.1中，输入接口接K0K7八个开关，输出接口接L0L7八个发光二极管，现读K0-K7八个开关状态，通过输出口L0L7来显示，程序如下： #Include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void main(void) uchar i; i=XBYTE0 xfeff; /单片机读74LS244的数据 XBYTE0 xfeff=i; /把刚刚读进来(jn li)的数据输出到74LS373锁存 说明：i=XBYTE0 xfeff是读操作，控制线 为低电平,有效；地址线P2.0为低，其它地址线无关，设为1，所

11、以有效地址是0 xfeff； （低电平），则1 和2 有效，74LS244芯片 Q0Q7数据送数据线，读入到i。共四十二页XBYTE0 xfeff= i是写操作，控制线为低电平,有效；地址线P2.0为低，其它地址线无关，我们规定为1，所以有效地址也是0 xfeff； （高电平），则G有效，芯片 74LS373被选中。数据线上数据i写入74LS373，由于74LS373输出允许 直接接地，数据线上数据i直接通过(tnggu)74LS373的Q0Q7输出,控制L0L7。注意： “读”和“写”都是以CPU为中心的，“读”就是把外围设备数据赋给CPU，“写”就是将CPU中数据赋给外围设备。共四十二页

12、8.3 可编程I/O扩展接口8255A8.3.1 8255A的内部结构和引脚信号功能 1. 8255A的内部结构 8255A的内部结构如图8.2所示。8255A内部有3个可以(ky)编程的并行I/O端口，PA、PB、PC口。每口8位，共提供24位I/O线，每个口都有一个数据输入寄存器和一个数据输出寄存器，输入时有缓冲，输出时有锁存。其中C口又可分为两个独立的4位端口：PC0PC3, PC4PC7。A口和C口高4合在一称为A组，通过A组控制寄存器控制A口和C口的高4位。B口和C口低4位合在一起称为B组，通过B组控制寄存器控制B口和C口的低4位。A口有3种工作方式：无条件输入输出方式、选通输入输出

13、方式和双向选通输入输出方式。B口有两种方式：无条件输入输出方式和选通输入输出方式。当A口和B口工作于选通输入/输出方式和双向选通输入/输出方式时C口中一部分线用做A口和B口输入/输出的应答信号线，否则C口也可以工作在无条件输入输出方式。 共四十二页数据总线缓冲器A1A0RESETB组控 制读/写控制逻辑8位内部数据总线B组控 制A组控 制与CPU接口内部逻辑A组端口A（8）A组端口C上半部（4）B组端口C下半部（4）B组端口B（8）I/OI/OI/OI/OPA7PA0PC7PC40PC3PC00PB7PB00图8.2 8255A的内部结构共四十二页8255有4个端口寄存器：A口数据寄存器、B口

14、数据寄存器、C口数据寄存器和端口控制口寄存器，对这4个寄存器访问需要有4个端口地址。通过(tnggu)控制信号和地址信号对4个端口寄存器的操作见表8.1。表8.1 8255A的4个端口寄存器操作控制A1A0I/O操作00001读A口00101读B口01001读C口00010写A口00110写B口01010写C口01110控制口共四十二页934333231302928275366835426739321401438837818881988202122232425PC015161713121110GVBPC2PC4PC3PC5PC6PC7PB0PB1PB3PB4PB2PB5PB6PB7PA0PA1

15、PA2PA3PA4PA5PA6PA7VRESETA1A0D0D1D2D3D4D5D6D7图8.3 8255A的40引脚信号2.8255A的引脚信号8255A有40个引脚信号，采用双列直插封装，如图8.3所示。（1）D0D7：三台双向数据线，和89C51的数据总线相连。 （2）：8255A片选。低电平有效，用来(yn li)选中8255A。（3）：读信号线，低电平有效，控制从8255A读出信息，与89C51的相连。（4）：写信号线,低电平有效，控制向8255A写信息，与MCS-51的相连。（5）A1、A0：地址线用来选择8255A内 部端口 。 共四十二页 （6）RESET：复位线，常与89C5

16、1的复位线相连。（7）PA0PA7：A口I/O信号线。（8）PB0PB7：B口I/O信号线. (9) PC0PC7：C口I/O信号线。（10）V：+5V电源。（11）GND：接地端。8.3.2 8255A的控制字8255A的有两个控制字：工作方式控制字和C口按位置位/复位控制字。这两个控制字是通过向控制口寄存器写入规定(gudng)的信息来实现的，通过写入的特征位来区分是工作方式控制字，还是C口按位置位/复位控制字。1.工作方式控制字通过向8255A的控制口写工作方式控制字设定8255A的3个端口的工作方式，工作方式控制字的格式如图8.4所示。共四十二页共四十二页 D7位：为标志位，D7=1表

17、示为工作方式控制字 D6、D5： A组的工作方式控制位 D4、D3：分别(fnbi)设定A口和 C 口的高4位是输入还是输出。 D2：设定B 组的工作方式 D1、D0：设定B 口和C 口的低 4 位是输入还是输出。 2C口按位置位/复位控制字 C口按位置位/复位控制字用于对C口按位置1或清 0 ，它的格式如图8.5所示。共四十二页 D7 ：特征位，D7=0表示为C 口按位置位/复位控制字。 D6、D5、D4：这3位不用 D3、D2、D1：这3位用于选择C 口当中的某一位。 D0：用于置位/复位设置，D0 =0选中位复位，D0=1选中位置位8.3.3 8255A的工作方式1. 方式0 方式0是一

18、种基本的输入/输出方式。在这种方式下，每个端口都可以由程序设置为输入或输出，没有固定的应答信号。方式0 的特点(tdin)如下：（1） 具有两个8 位端口（A、B）和两个4位端口（C口的高4位和C 口的低 4位）（2） 任何一个端口都可以设定为输入或者输出。（3） 每一个端口输出时带锁存，输入时不带锁存但有缓冲。方式0 输入/输出时没有专门的应答信号，通常用于无条件传送。方式0也是我们使用最多的工作方式。共四十二页2. 方式1 方式1 是一种选通输入/ 输出(shch)方式。在这种工作方式下， A 口和B 口作为数据输入/输出(shch)口，C口用作输入/输出(shch)的应答信号。 A 口和

19、 B 口既可以做输入，也可以作输出(shch)，输入和输出(shch)都具有锁存功能。（1）方式1 的输入 无论是A 口输入还是 B 口输入，都用C 口的3位作应答信号，1位作中断允许控制位。具体情况如图8.6所示。共四十二页INTE&PC5PC3PC4PC6，PC7I/OINTRIBFPA0PA7(a)INTE&PC1PC0PC2INTRIBFPB0PB7(b)图8.6 方式1的输入(a)A口输入；（b）B口输入共四十二页各应答信号(xnho)含义如下： ：外设送给8255A 的“输入选通”信号，低电平有效。当外设准备好数据时，外设向8255A发送 信号，把外设送来的数据锁存到输入数据寄存器

20、中。IBF：8255A送给外设的“输入缓冲器满信号，高电平有效。此信号是对 信号的响应信号。当IBF=1 时，8255A告诉外设送来的数据已锁存于8255A的输入锁存器中，但CPU 还未取走，通知外设不能送新的数据，只有当IBF=0，输入缓冲器变空时，外设才能给8255A发送新的数据.给8255A发送新的数据.INTR：8255A发送给CPU 的“中断请求“信号，高电平有效。 INTE：8255A内部为控制中断而设置的“中断允许”信号，当INTE=1时，允许8255A向CPU 发送中断请求，当INTE=0时，禁止8255A向CPU发送中断请求。INTE由软件通过对PC4（A口）和PC2(B口)

21、的置位/复位来允许或禁止。 （2）方式1输出。无论是 A口还是B口输出，也都用C口的3位作为应答信号，1位作中断允许控制位，具体结构如图8.7所示。共四十二页INTE&PC6PC3PC7PC4，PC5PA7PA0I/0INTE&PC2PC0PC1PB7PA02(a)(b)图8.7 方式1输出(a)A输出；(b)B口输出共四十二页各应答信号含义如下： ：外设送给8255A 的“输出缓冲器满”信号，低电平有效。当有效时，表示CPU已将一个数据写入8255A的输出端口，8255A通知(tngzh)外设可以将其取走。 ：外设送给8255A的“应答”信号，低电平有效，当ACK有效时，表示外设已接受到从8

22、255A端口送来的数据。 INTR：8255A送给CPU的“终端请求”信号，高电平有效。当INTR=1时，向CPU 发送中断请求，请求CPU再向8255A写入数据。 INTE：8255A内部为控制中断而设置的“中断允许”信号，含义与输入相同，只是对应C口的位数与输入不同，它是通过对PC6(A口)和PC2(B口)的置位/复位来允许或禁止中断的。 共四十二页 2. 方式2方式2 是一种双向选通输入/输出方式，只适合于端口A 。这种方式能实现外设与8255A的A口的双向数据传送。并且输入和输出都是锁存的。它使用C口的5 位作应答信号，两位作中断允许控制位。具体结构如图8.8所示。方式2 各应答信号的

23、含义与方式1 相同，只是INTR具有双重含义，既可作为输入时向CPU的中断请求，也可作为输出时向CPU的 中断请求。系统扩展8255A主要是用来做并口I/O使用。在方式2可以实现数据双向传送，并行传送速度快，但数据只能分时使用口线，属半双工通信，电平是TTL，距离(jl)不能太远。所以方式2使用不多。共四十二页共四十二页8.3.4 8255A与单片机的接口 1. 硬件接口 8255A与MCS-51单片机的连接包含数据线、地址线、控制线。其中，数据线直接和89C51单片机的数据总线相连；8255A的地址线A0和A1一般(ybn)与89C51 单片机地址总线的D0、D1相连，用于对8255A的4

24、个端口进行选择；8255A 控制线中的读信号线、写信号线与89C51单片机的片外数据存储器的读/ 写信号线直接相连，片选信号线的连接和存储器芯片的片选信号线的连接方法相同，用于决定8255A的内部端口地址范围。图8.9就是8255A 与单片机的一种连接方式。共四十二页图8.9中，8255A的数据线与MCS-51 单片机的数据总线P0.0P0.7相连，读/写信号线对应相连，地址线A0、A1与MCS-51 单片机的地址总线的P0.0和P0.1相连，片选信号线与MCS-51单片机P2.0相连。如果要选中8255A 的A 口，P2.0为低，即P2.0为0，A0、A1为00，其它无关位假定为高（为低也可

25、），A口地址是0 xfefc（0 x0000）；同理B口、C口和控制口的地址分别(fnbi)是0 xfefd (0 x0001)，0 xfefe（0 x0002），0 xfeff（0 x0003）。 2 . 软件编程 【例8.2】 如果设定8255A的A 口为方式0 输入，B 口为方式0 输出，编写初始化程序。 #include #include / 定义绝对地址访问void main(void)unsigne char i;XBYTE 0 xfeff =0 x90; 写方式控制字/0 xfeff是控制口地址，使用8255A，先要向控制口写方式字/ D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D

26、0/ 1 0 0 1 0 0 0 0/标志 A组方式0 A口输入 C口高4位输出 B组方式0 B口输出 C口低4位输出i= XBYTE 0 xfefc;/ A口输入XBYTE 0 xfefd=i;/ B口输出共四十二页【例8.3】 将8255A的端口C中的PC5置1，其它位不变。 程序如下： #include #include / 定义绝对地址访问(fngwn) void main(void) unsigne char i; XBYTE 0 xfeff =0 x0b; / 向控制口写C口按位复位/置位方式字 / D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 / 0 0 0 0 1 0 1 1

27、 / 标志 这三位不用 位选择为PC5 置位共四十二页8.4 可编程I/O扩展接口8155 8155也是89C51单片机常用的可编程I/O扩展接口，它除了具有3个I/O端口以外，还具有256字节的RAM和一个14位的减1计数器，如同时需要上述功能的扩展，可以选择8 8155芯片(xn pin)介绍 1. 8155引脚功能 8155有40个引脚，采用双列直插封装。具体如图8.10所示。AD0AD7：8条地址、数据线。PA0PA7：通用I/O线。PB0PB7：通用I/O线。PC0PC5：通用I/O线、控制线。RD/WR:读写控制线。RESET：复位线。、IO/：为8155片选，低

28、电平有效。IO/位I/O和RAM选择线，IO/=1，选8155的某I/O口；IO/=0，选8155内部RAM。共四十二页ALE：允许地址输入线。ALE=1,8155允许89C51单片机通过AD0AD7发出的地址锁存到8155内部的地址锁存器中。ALE常和89C51单片机的ALE相连。TIMERIN：计数脉冲输入线，输入的脉冲上跳沿用于对8155片内的14位计数器减1.TIMEROUT：计数器输出线，当14位计数器值为0时就可以(ky)在该引线上输出脉冲或方波，输出的脉冲或方波，与所选的计数器工作方式有关。Vcc (40)：+5V电源线。Vss (20)：接地端。2. I/O端口控制(1) CP

29、U对各端口的控制。8155内部有7个寄存器，需要3位译码线控制，一般接89C51的A0A2.这3位地址线和89C51的控制信号配合实现对8155各端口的控制，见表8-2 。共四十二页表8.2 8155端口地址分配(fnpi)表IO/A2A1A0所选端口01000控制/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单元共四十二页 (2) 8155控制字。 8155有一个控制字寄存器和个状态寄存器。控制字寄存器只能写；状态寄存器只能读。控制字格式如图8.11所示。其中低4位用来设置PA、 PB、PC口工作(gngzu)方式，D4、D5位用

30、来控制PA口和PB口的中断，D6、D7位用来设置计数器工作(gngzu)方式。共四十二页（3）8155状态字8155状态字格式如图8.12所示，状态字用来存放PA口和PB口状态，它的地址与控制字寄存器地址相同。控制字寄存器只能写，状态寄存器只能读，所以挺操作(cozu)不会混淆。89C51单片机常通过读状态寄存器来查询PA口和PB口状态。共四十二页8.4.2 8155的工作方式8155有以下三种工作方式：（1）存储器工作方式 存储器工作方式用于对片内256个字节RAM单元进行读写，这种工作状态要求，则可以通过AD0AD7对8155片内RAM单元进行读写。 （2）基本I/O和选通I/O工作方式。

31、 基本I/O工作方式是我们(w men)使用最多的工作方式，在这种工作方式下，PA、PB、PC三口作为普通IO。 选通I/O工作方式中，PA、PB做数据口，PC口做PA、PB口的联络信号。其中：PC0作为A口的输入输出中断请求信号，向CPU申请输入输出中断；PC1作为A口缓冲器满标志；PC2作为A口选通输入；PC3作为B口的输入输出中断请求信号，向CPU申请输入输出中断；PC4作为B口缓冲器满标志；PC5作为B口选通输入。共四十二页 (3) 计数器定时器工作(gngzu)方式。 8155内部的计数器定时器是14位的，工作方式由写入控制字决定，控制字格式如图8.13所示；控制字格式要分别写入计数

32、器低8位TL（地址0 x04）和高8位TH（地址0 x05）。控制字中T0T13是计数初值。M2M1是计数时间，引脚输出方波：M2M1=OO，输出单方波；M2M1=OI，输出连续方波；M2Ml=10，输出单脉冲；M2M1=l1，输出连续脉冲。由于方波的特点，计数初值最小不能低于2。共四十二页8.4.3 8155与89C51单片机的连接(linji)和软件编程1. 8155与89C51单片机的连接8155与89C51单片机的连接示意图如图8.14所示。P2.0+5VALEP0.0P0.7AD0AD7RESETRESETP2.78ALE89C51888TIMERIN图8.14 8155与89C51

33、单片机的连接共四十二页图8.14中，P2.7接8155的 ,P2.0接IO/ ，如果(rgu)8155工作在输入输出方式，P2.7接8155的 要低，P2.0接IO/ 此时要高， 其他地址线无关并假定为高（或者低也行）8155控制口地址为0 x7ff8(0 x0100),PA口地址为0 x7ff9(0 x0104),TH为0 x7ffd(0 x0102)，PC口地址位0 x7ffb（0 x0103），片内计数器地址TL为0 x7ffc(0 x0104),TH为0 x7ffd(0 x0105)。要访问8155片内256字节RAM，P2.7、P2.0这两个信号要低，其他地址线无关并假定为高（或者低

34、也可行），则8155片内256字节RAM地址位0 x7e000 x7eff(0 x00000 x00ff)。2. 编程实例【例8.4】 8155PA口定义为基本输入，PB口定义为基本输出，PC口输入，计数器输出连续方波，方波对输入技术脉冲20分频。分析：8155PA口定义为基本输入，PB口定义为基本输出，启动计时器，命令口地址为0 x7ff8,命令字为0 xc2。方波对输入计数脉冲20分频就是计数器计数20，满20溢出1次。=01，输出连续方波。共四十二页程序如下：#include #include /定义绝对地址访问(fngwn)void main(void)unsigned char i,

35、j;XBYTE0 x7ff8=0 xc2; /命令字为0 x7ff8XWORD0 x7ffc=0 x4014; /给0 x7ffc、0 x7ffd输入计数值20，M2M1=01i=XBYTE0 x7ff9; /读PA口XBYTE0 xff7a=i; /向PB口输出j=XBYTE0 x7ffb; /读PC口【例8.5】 将8155 0 x7e00内容读出并付给8155 0 x7eff.程序如下：#include #include /定义绝对地址访问void main (void) unsigne char I,j; j=XBYTE 0 x7e00; /读8155RAM XBYTE0 x7eff=j; /赋给81550 x7eff共四十二页 本章小结本章介绍了I/O接口和I/O端口的一些基本知识，并重点讲述了89C51单片如何来扩展I/O接口，以及89C51与常用的简单I/O接口73LS273、74LS373、74LS573、74LS244、74LS245的接线和编程。本章还介绍了两种常用的可编