单片机第7章-输入与输出

采用I/O接口的必要性1、CPU和外设间数据传送有如下特点：1）外设种类繁多。机械式、机电式、电子式…2）外部设备工作速度差异很大。慢速设备：开关、键盘等；中速：打印机；高速：磁盘等。CPU无法按固定时序协调各方的工作。3）外设数据信号多样化。电压信号、电流信号、数字量、模拟量等。第七章输入和输出 7.1并行I/O口的概念 7.2MCS-51内部并行I/O口 7.3MCS-51并行口的扩展第七章输入和输出 7.1并行I/O口的概念 7.2MCS-51内部并行I/O口 7.3MCS-51并行口的扩展7.1并行I/O口的概念

计算机为什么需要I/O接口？2、I/O接口的作用1.地址译码能根据CPU给出的地址找到指定的外设。2.数据缓冲能对传送的数据进行缓冲，以协调CPU与外设的速度。3.信息变换将外设的信息，变成与CPU相容的格式。如：模拟数字…4.提供状态信息将外设的状态信息如：忙、闲、就绪、满、空等状态提供给CPU，以便CPU对外设产生同步控制命令。5.能对中断进行管理建立中断请求、中断排队、中断识别与中断响应等。微型机I/O接口I/O接口I/O设备I/O设备1）速度协调数据在DB上停留时间十分短暂。2）数据锁存8051单片机的4个I/O接口，都通过锁存器和外界联系。总线隔离技术：任一时刻，只允许一个数据源使用数据总线。其余数据源都和数据总线隔离。3）三态缓冲4）数据转换D/A、A/D转换用作接口电路的基本电路锁存器三态缓冲电路集电极开路门（OC门）（两个以上OC门输出端用导线直接相连，实现“线与”功能）使用时，需外接上拉电阻。7.1.1I/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：（1）数据口（2）控制口（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，但需一套专门的读写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

MCS-51单片机有片内I/O接口和扩展I/O接口。片内I/O接口寄存器在SFR中，使用片内数据存储器空间。扩展I/O接口使用片外数据存储器地址空间。

输出指令： 输入指令：片内寻址：MOVP1，A MOV A，P1

片外寻址：MOVX@DPTR，A MOVXA，@DPTR MOVX@R0，A MOVXA，@R0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。7.1.2I/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、程序传送2、中断传送3、直接存储器存取（DMA）传送

CPU与外部设备间的数据传送在程序控制下进行的一种方式，分为条件传送和无条件传送。1、程序传送（1）无条件传送方式

外部设备总处于“准备好”状态，无需测试。随时可以传送数据，例如指示灯、发光二极管等。无条件输入无条件输出①硬件查询电路设置状态锁存和数据锁存电路。传送前，CPU读取外设的状态，确认已为输入输出做好准备，再进行数据传送。（2）条件传送（查询传送）DBABAB数据端口状态端口外部设备I/O接口D6②软件查询程序先输入状态，决定是否进行数据传送。INPUT：MOVDPTR，#SATUS；状态口地址WAIT：MOVXA，@DPTRJNBACC.7，WAIT MOVDPTR，#DATA；数据口地址 MOVXA，@DPTR查询状态输入/输出数据准备就绪？YN接口大多数时间计算机与外设并行工作，计算机不必因等待而浪费资源。当外设准备就绪，向CPU发出中断请求信号。CPU暂停当前程序，执行I/O操作。当I/O操作结束，CPU仍继续被中断的工作。大大提高系统的工作效率。2、中断方式中断方式传送示意图(DMA—DirectMemoryAccess)用于计算机与高速外设进行大批量数据交换，由DMA控制器接管总线控制权，RAM与外设之间直接数据传输，不需CPU的介入。3、直接存储器存取方式第七章输入和输出 7.1并行I/O口的概念 7.2MCS-51内部并行I/O口 7.3MCS-51并行口的扩展RAM

P0口串行口

定时器计数器特殊功能寄存器（SFR）中断系统ALU控制逻辑

P2口

P1口

P3口ROM/EPROMCPU内部总线VccVssXTAL1XTAL2P2.0~P2.7P0.0~P0.788P1.0~P1.78P3.0~P3.788051/87517.2MCS-51内部并行I/O口51单片机内部有四个8位并行I/O端口。P0口：分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。P1口：通用I/O口。P2口：分时提供高8位地址。P3口：多功能口，第一功能做通用I/O口，多用于第二功能。P3口的第二功能状态P3.0RXD串入（接收端）P3.1TXD串出（发送端）P3.6WR外部RAM写信号P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0计数器0输入P3.5T1计数器1输入第二功能作用口线P3.2INT0外部中断0输入P3.7RD外部RAM读信号例：用4个发光二极管对应显示4个开关的开合状态。 如P1.0合则P1.4亮，P1.1合则P1.5亮…MCS-51P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0

ORG0000H AJMPMAIN ORG0100HMAIN：ORLA，#0F0H MOVP1，A MOVA，P1 SWAPA MOVP1，A SJMPMAINEND第七章输入和输出 7.1并行I/O口的概念 7.2MCS-51内部并行I/O口 7.3MCS-51并行口的扩展I/O接口是MCS-51与外设交换数字信息的桥梁。单片机本身提供的I/O口线不多，真正用作I/O口线的只有P1口的8位和部分P3口线。在多数应用系统中，MCS-51单片机都需要外扩I/O接口电路。7.3MCS-51并行口的扩展I/O口扩展芯片主要有两种：

可编程接口芯片（8255A、8155等）不可编程接口芯片（TTL、缓冲器电路等）7.3.1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。P0口为双向数据线，既能接收244的输入数据，又能将数据送给273输出。

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。当P2.0=0，WR信号有效时，51单片机通过P0口输出数据到74LS273。当P2.0=0，RD信号有效时,通过244输入按键数据。输出程序段：

MOVA,#data ；数据→A MOVDPTR,#0FEFFH；I/O地址→DPTR MOVX@DPTR,A ；WR为低，数据经74LS273口输出 设扩展输入口和输出口的端口地址为FEFFH。输入程序段：

MOVDPTR,#0FEFFH；I/O地址→DPTRMOVXA,@DPTR ；RD为低，74LS244口；数据读入内部RAM例编写程序把按钮开关状态通过上图中的发光二极管显示出来。程序如下：DDIS: MOVDPTR,#0FEFFH ；输入口地址→DPTRLP: MOVXA,@DPTR ；按钮开关状态读入A中MOVX@DPTR,A ；A中数据送输出口SJMPLP ；反复连续执行7.3.2用MCS-51的串行口扩展并行口用74LS164扩展并行输出口74LS164：8位串入并出移位寄存器。

下图是利用74LS164扩展二个8位并行输出口的接口电路。例：编写将内部RAM单元30H、31H的内容经串行口由74LS164并行输出子程序。START:MOVR7,#02H ；设置要发送的字节个数 MOVR0,#30H ；设置地址指针 MOVSCON,#00H；设置串行口为方式0SEND: MOVA,@R0 MOVSBUF,A；启动串行口发送WAIT: JNBTI,WAIT ；一帧数据未发完，循环等待CLRTI INCR0 ；取下一个数DJNZR7,SEND ；未完，发完从子程序返回

RET可编程I/O扩展：具有状态寄存和命令寄存的功能，通过软件编程方式，确定扩展芯片的工作方式。典型芯片：8255A，8155。7.3.38255A可编程并行I/O口扩展芯片并行接口芯片8255A

8255A是Intel公司生产的标准外围接口电路。采用单一＋5V电源供电,具有40条引脚。三个端口A、B、C，A、B是单纯的数据口，C口既可作数据口，也可作控制口。

C7-4控制A口，合称A组；

C3-0控制B口，合称B组。数据线D7-D0，PA7-PA0，PB7-PB0，PC7-PC0。寻址线

片选信号CSA1和A0四种组合分别选择A、B、C和控制寄存器。控制线

读信号（CPU对8255A读操作）写信号（CPU对8255A写操作）reset（复位）电源线单一+5V电源。

8255A主要特点：具有多种功能的可编程并行接口电路芯片最基本的接口电路：三态缓冲器和锁存器与CPU间、与外设间的接口电路：状态寄存器和控制寄存器还有端口的译码和控制电路、中断控制电路分3个端口，共24个外设引脚共三种输入输出工作方式8255A的内部结构数据总线缓冲器内部控制线内部数据线D0～D7A组控制A组端口AA组端口C上部B组控制B组端口BB组端口C下部读写控制逻辑PC0～PC3PB0～PB7PC4～PC7PA0～PA7RDWRA0A1CSRESET1.外设数据端口端口A：PA0～PA7A组，支持工作方式0、1、2端口B：PB0～PB7B组，支持工作方式0、1端口C：PC0～PC7仅支持工作方式0A组控制高4位PC4～PC7B组控制低4位PC0～PC3端口A：PA0～PA7常作数据端口，功能最强大端口B：PB0～PB7常作数据端口端口C：PC0～PC7可作数据、状态和控制端口分两个4位，每位可独立操作控制最灵活，最难掌握2.与处理器接口CSA1A0I/O地址读操作RD写操作WR000001010011D000HD001HD002HD003H读端口A读端口B读端口C非法写端口A写端口B写端口C写控制字假设：CS片选地址范围（D000H～DFFFH）

8255A的工作方式方式0：基本输入输出方式适用于无条件传送和查询方式的接口电路方式1：选通输入输出方式适用于查询和中断方式的接口电路方式2：双向选通传送方式适用于双向传送数据的外设适用于查询和中断方式的接口电路方式0：基本输入输出方式两个8位口PA、PB和两个4位口，输入输出的任意组合。适用于无条件数据传输。也可以对C口进行位操作，以C口某一状态，实现查询方式数据传送。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。方式1：选通输入输出方式PA、PB口用于数据输入\输出，PC口提供数据传送联络信号（有固定对应关系的选通信号和应答信号）。STB——选通信号，低电平有效由外设提供的输入信号，当其有效时，将外设送来的8位数据送至8255A的输入缓冲器IBF——输入缓冲器满信号，高电平有效8255A输出的联络信号。当其有效时，表示已有数据在输入缓冲器INTR——中断请求信号，高电平有效8255A输出的信号，可用于向CPU提出中断请求，要求CPU读取外设数据输入联络信号：方式1输入引脚：A端口数据选通信号表示外设已经准备好数据输入缓冲器满信号表示A口已经接收数据中断请求信号请求CPU接收数据STB、INTE、IBF都为高电平时PC4PC5PC3PA7~PA0INTEAIBFAINTRASTBA中断允许信号，控制A口中断允许或屏蔽方式1输入引脚：B端口PC2PC1PC0PB7~PB0INTEBIBFBINTRBSTBB数据选通信号表示外设已经准备好数据输入缓冲器满信号表示B口已经接收数据中断请求信号请求CPU接收数据STB、INTE、IBF都为高电平时中断允许信号，控制B口中断的允许与屏蔽方式1需借用端口C用做联络信号同时还具有中断请求和屏蔽功能方式1输出引脚：A端口外设响应信号表示外设已经接收到数据输出缓冲器满信号表示CPU已经输出了数据通知外设取走中断请求信号请求CPU再次输出数据PC6PC7PC3PA7~PA0INTEAOBFAINTRAACKA中断允许信号方式1输出引脚：B端口PC2PC1PC0PB7~PB0INTEBOBFBINTRBACKB外设响应信号表示外设已经接收到数据输出缓冲器满信号表示CPU已经输出了数据通知外设取走中断请求信号请求CPU再次输出数据中断允许信号只有端口A可以工作于方式2，需要利用端口C的5个信号线，其作用与方式1相同。PA工作于方式2下，则PB可工作在方式0和方式1。方式2：双向选通传送方式方式2双向引脚PC6PC7PC3PA7~PA0INTE1OBFAINTRAACKAPC4PC5IBFASTBAINTE2用PC6设置INTE1（输出）用PC4设置INTE2（输入）输入和输出中断通过或门输出INTRA信号PC口联络信号定义8255A的编程初始化编程：一个方式控制字采用控制I/O地址：A1A0＝11工作过程中：通过数据端口对外设数据进行读写数据读写利用端口A、B和C的I/O地址，A1A0依次等于00、01、10在MCS-51单片机上，若片选CS地址范围为：D000H~DFFFH，则端口A、B、C和控制端口的I/O地址分别为D000H、D001H、D002H和D003H。1.写入方式控制字：控制字格式举例要求：A端口：方式1输入C端口上半部：输出，C口下半部：输入B端口：方式0输出方式控制字：10110001B或B1H初始化的程序段：

movdptr,#0d003h ;假设控制端口为d003H

mova,#0b1h ;方式控制字

movx@dptr,a ;送到控制端口练习

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：MOVDPTR，#0FF7FH；控制字寄存器地址送DPTRMOVA，#83H；方式控制字83H送AMOVX@DPTR，A；83H送控制字寄存器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。位控制字写入控制端口特别便于置位复位内部中断允许触发器INTED7D6D5D4D3D2D1D0方式1输入I/OI/OIBFAINTEAINTRAINTEBIBFBINTRB方式1输出OBFAINTEAI/OI/OINTRAINTEBOBFBINTRB方式2双向OBFAINTE1IBFAINTE2INTRA×××端口C的状态字A组B组举例：若8255A的控制字寄存器选口地址为70FBH,试写出令PC3先置“1”以及后置“0”的程序。程序：

MOVDPTR,#70FBH;命令口地址MOVA,#07H ;PC3=1命令MOVX@DPTR,A MOVA,#06H ;PC3=0命令MOVX@DPTR,A8255A的应用作为通用的并行接口芯片，8255A具有广泛的应用应用在单片机、IBMPC机上应用于打印机接口电路连接简易键盘控制和驱动LED数码管……1、8255A与51系统的连接 51单片机扩展的I/O接口均与片外RAM统一编址。8255A与8051的接口电路

软件编程举例要求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口输出的方式控制送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→DPTRMOVXA,@DPTR ；从A口读数据……MOVDPTR,#0FF7DH；B口地址→DPTRMOV A,#DATA1 ；要输出的数据DATA1→AMOVX@DPTR,A；将DATA1送B口输出MOVDPTR,#0FF7EH；C口地址→DPTRMOVA,#DATA2 ；DATA2→AMOVX@DPTR,A ；将数据DATA2送C口输出2、用8255A方式0与打印机接口BUSY

DATA0～78255APC7PC2PA0～PA7打印机STROBE打印机接口的信号与时序BUSYDATA0～7ACKSTROBE数据数据主机把数据送给引脚DATA0~DATA7同时送出数据选通信号STROBE打印机在BUSY信号线上发出忙信号打印机处理好输入的数据时撤消忙信号同时又送出一个响应信号ACK例1：

8255A的初始化Init_8255:

movdptr,#0d003h

;控制端口地址：0d003H

mova,#10000001b

;方式控制字：81H

movx@dptr,a

;A端口方式0输出，;C端口上端输出、下端输入

mova,#00001111b

;端口C的复位置位控制字，使PC7＝1

movx@dptr,a

PA0-PA7口输出PC7输出PC2输入例1：打印子程序：查询prn:movdptr,#0d002h

;读取端口C

movxa,@dptr

;查询打印机状态

movc,acc.2

;PC2＝BUSY＝0？

jcprn

;PC2＝1,打印机忙,则循环等待

movdptr,#0d00h

;PC2＝0,打印机不忙,则输出数据

mova,@r0

incr0

movx@dptr,a

;将打印数据从端口A输出

movdptr,#0d003h

;从PC7送出控制低脉冲

mova,#00001110b

;置PC7(STROBE)＝0

movx@dptr,a

nop

;产生一定宽度的低电平

mova,#00001111b

;置PC7=1

movx@dptr,a;最终，STROBE*产生低脉冲信号

retBUSYDATA0～7ACKSTROBE本章总结深刻理解8255A的基本特性；了解8255A的外部特性和内部结构；熟练掌握8255A的两个控制字的含义和使用；熟练掌握8255A的三种工作方式的特点、原理，能够用它们解决实际问题。本章难点在于C口的使用。

在8255A的三个数据口中，C口用法较特殊、比较复杂，是学习的一个难点，为了更好的理解，下面做一个归纳：（1）C口被分成两个四位端口，两个端口只能以方式0工作，但分别可选择输入或输出（若PC0选输入，则PC1输出无法办到，因为它们同属C口的下半部分）。（2）当A、B口工作在选通方式时，C口的部分引脚被征用为联络信号，其余引脚还可工作在方式0。（3）通过向控制口写入位控字，C口某个引脚输出1或0，该操作每次限定对一位操作。位控字有两个作用：输出控制；对8255A内部的中断允许触发器置位或复位。END一、8155内部结构256×8静态RAMPA口PB口PC口14位定时/计数器PA7～PA0PB7～PB0PC5～PC0TIMEOUTTIMEINAD7～AD0ALE/RD/WR/CEIO/MRESETVccGNDCPUI/O设备7.3.48155可编程并行I/O口扩展芯片

8155含有：

①256字节的RAM；

②一个14位定时/计数器

③三个并行I/O口：A、B、C口。其中A、B口为8位,C口为6位。A、B口可作为基本I/O口,也可作为选通I/O口；C口除可作为基本I/O口外,还可用作A口、B口的应答控制联络信号线；

④一个控制寄存器组,用来存放控制命令字；8155引脚说明: ①AD0～AD7：地址/数据复用线。可与P0口直接相连。 ②CE：片选,输入,低电平有效。 ③IO/M：RAM和I/O口选择线。当IO/M=1时,选中I/O口;当IO/M=0时,选中RAM。 ④ALE：地址锁存信号。⑤RD：读选通,输入,低电平有效。 ⑥WR：写选通,输入,低电平有效。 ⑦TIMERIN：定时器输入，是片内定时器的脉冲信号输入端。 ⑧TIMEROUT：定时器输出，计时结束时可以输出矩形波或脉冲波。 ⑨PA0～PA7、PB0～PB7：A/B口通用的输入/输出线。由编程来决定是输入还是输出。 ⑩PC0～PC5：C口的输入/输出或控制信号线。定时/计数器输入端PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PA0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB0PC1PC2PC3PC4PC5PC0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD0TIMEINTIMEOUTALEIO/MRESETRDWRCE8155芯片引脚功能RAM及IO选择地址锁存线三态地址/数据复用线端口A，I/O线端口B，I/O线端口C，I/O线读选通信号线写选通信号线片选线定时/计数器输出端复位端1IO0MCPU外设二、CPU对8155I/O口的控制

8155芯片中的RAM和I/O口占用系统片外RAM的地址，其中高8位地址确定CE和IO/M。 当CE=0,IO/M=0时,低8位的00H～FFH为RAM的有效地址; 当CE=0,IO/M=1时,低8位地址中的末3位(A2A1A0)来决定各个端口的地址,如下表所示。三、命令寄存器及状态寄存器1、命令字格式（8位）

D7

D6

D5

D4D3D2

D1D0TM2

TM1IEBIEAPC2

PC1PB

PA0输入1输出1开中断D0PAD1PBD3D20输入1输出PC2PC1A、B口为基本I/O口，C口输入00A、B口为基本I/O口，C口输出11

01

A口为选通方式，B口为基本I/OPC0～PC2口为PA口联络线PC3～PC5为基本I/O口10

A口、B口为选通I/OPC0～PC2口为PA口联络线PC3～PC5为PB口联络线0关中断00空操作01停止计数10时间到，停止计数11置入方式控制字和计数初值后，立即启动计数。若正在计数，溢出后则按新的方式和初值计数。可编程可控的“只写不读”由CPU写入⑴8155基本I/O方式逻辑结构8I/O8I/O6I/O外设CPU8155PAPBPCAD0~AD7WRRDALEIO/MCE8基本输入

MOVXA，＠DPTR基本输出

MOVX＠DPTR，A88端口数据线8端口数据线AINTRABFASTBBINTRBBFBSTB至CPU至外设自外设至CPU至外设自外设8155PAPBAD0~AD7WRRDALEIO/MCEPC0PC1PC2PC3PC4PC5⑵8155选通I/O方式逻辑结构CPUA口外设B口外设带联络信号的应答式输入、输出联络线联络线INTR：中断请求输出线，高电平有效当A口（B口）设备接收到数据；或设备从A口（B口）缓冲器取走数据时，INTR为高，向单片机（CPU）请求中断。BF：缓冲器状态标志输出线缓冲器“满”时BF为高，缓冲器“空”时BF为低STB：设备选通信号输入线，低电平有效作

CPU的外部中断请求输入线仅当相应的中断允许位为“1”时INTR为高命令字中三根联络线0无中断1有中断2、状态字格式

（8位）

D7D6

D5

D4

D3

D2

D1

D00空TIMER1满未用中断标志由CPU读出AAAINTRBFINTEBBBINTRBFINTE缓冲器满空标志中断允许0关中断1开中断定时器中断标志1计数溢出时0读出状态或复位时“只读不写”四、8155内部定时器TIMERIN：定时器时钟输入端TIMEROUT：为定时器输出，输出各种波形：a单次方波b连续方波c单次脉冲d连续脉冲14位减法计数器可接系统时钟，作定时器也可接外部输入，作计数器定时器编程：首先将计数常数及定时器输出方式送入定时器口计数常数在0002H～3FFFH之间

D7

D6

D5

D4D3

D2D1

D0T13T12

T11T10T9

T8

T7T6T5T4T3T2T1T000

单次方波01

连续方波10

单次脉冲11

连续脉冲

D7

D6

D5

D4D3

D2D1

D004H计数器低8位TL05H计数器高6位TH工作方式M2M18155定时器格式：

地址04H地址05H五、MCS-51与8155的接口方法和应用实例例1：8031与8155接口并确定RAM和I/O口地址电路连接如下:8031的P0.0～P0.7

与8155的AD0～AD7

相连51单片机与8155接口连接，不需要任何附加逻辑即可增加：256BRAM14位定时器22根

I/O

口线8031的P2.7与

8155

的CE相连8031的P2.0

与8155

的IO/M

相连8155与8031接口电路P2.7P2.0CEP00P01P02P03P04P05P06P07AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7IO/M80318155ALEALE地址分配：7F00H命令状态寄存器7F01HPA口7F02HPB口7F03HPC口7F04H定时器低8位7F05H定