第5章 S12输入-输出端口模块及其应用实例

基于HCS12的嵌入式系统设计

第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例合肥工业大学机械与汽车工程学院滕勤2014.4第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例本章内容

5.1并行I/O接口简介

5.2输入/输出端口寄存器及设置

5.3输入/输出端口应用实例基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介【I/O接口(Input/OutputInterface)】MCU与外界进行交互的重要通道。【常见I/O接口】人机交互接口，如开关、键盘、指示灯、显示器(LED、LCD)等，或者外接其它输入、输出设备。I/O接口电路的主要作用：（1）协调高速CPU与低速外设之间的速度匹配（2）提供输入、输出过程中的状态信号基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介【并行I/O接口组成】【端口】接口电路中用以完成信息传送、并可通过地址读/写的寄存器。【并行I/O接口】由若干个端口（Port）组成：一个接口在物理上有若干个端口，与不同的寄存器相对应，规定这些端口分别是数据口、状态口和命令口。

一个接口分配有若干个地址，即每一个端口分配一个地址。CPU将不同的信息写到不同的端口地址，也从不同的端口地址读取不同的信息。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介MC9S12DG128单片机的I/O接口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ以及PORTAD端口模块。PORTA、PORTB、PORTE和PORTK属于复用扩展总线接口(MEBI)，当MC9S12DG128在扩展方式下工作时，作为总线信号；在单片模式下工作时，PORTA、PORTB、PORTE和PORTK可用作通用I/O口。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ属于端口集成模块PIM，与片内其他功能模块的引脚复用。每个功能模块按照优先级的高低使用引脚。

基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介【GPIO简化功能逻辑图】仅考虑两个寄存器：数据寄存器PORT和数据方向寄存器DDR。RD_DDR和WR_DDR分别控制各自的三态双向门闩电路，该电路具有双向传输和高阻三态功能（图中只给出了单向传输和门控功能），可分别读取PORT引脚状态、数据锁存器状态和方向寄存器DDR的状态。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介9S12单片机的每个I/O接口引脚均内置拉电阻，可以通过编程设置是否使用上拉、下拉功能及其极性。【拉电阻的主要作用】当电路驱动器关闭时，保持线路（节点）为固定电平，提高抗干扰能力。标准端口的最小特性：输入/输出选择两个可选择驱动强度的5V输出驱动5V数字或模拟输入可选择上拉或下拉器件的输入选择特性：线或连接的开漏输出虚假信号滤波的中断输入基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.1并行I/O接口简介通用I/O口可以设置输入/输出、驱动能力、内部上拉/下拉电阻、中断输入等功能。用户可以通过设置DDR、I/O、RDR、PER、PPS和IE等寄存器，选择I/O口的工作方式。其中：★

方向寄存器DDR用于设定I/O口的数据方向。★

I/O寄存器用于设定端口输出电平的高低。★

驱动控制寄存器RDR用于选择I/O的输出驱动能力。★上拉/下拉使能寄存器PER当I/O口为输入时，用于选择内部上拉或下拉功能。★上拉/下拉选择寄存器PPS有两个用途：（1）当中断允许位置位时，用于选择上升沿触发或下降沿触发中断。（2）当使能内部上拉/下拉器件时，用于选择上拉或下拉。★中断使能寄存器IE用于允许或禁止I/O口上的中断。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例引脚配置汇总

基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ1．数据方向寄存器DDRx【作用】决定对应的引脚为输出还是输入，任何时候可读写。DDRx[7:0]—端口x数据方向位1=对应引脚设置为输出。0=对应引脚设置为输入。复位后，数据方向寄存器值为0x00，引脚默认为输入。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ1．数据方向寄存器DDRx如果外设模块控制引脚，数据方向寄存器的内容被忽略。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ2．I/O寄存器PTx任何时候可读写。如果数据方向寄存器DDRx对应位的数值为“1”(输出)时，I/O寄存器的值与引脚电平一致：PTx=1，对应的引脚输出为高电平。PTx=0，对应的引脚输出为低电平。读取该寄存器返回I/O寄存器的内容。如果数据方向寄存器DDRx对应位的数值为“0”，即将对应引脚定义为输入时：读取该寄存器返回引脚值。写该寄存器不改变引脚状态，但当DDRx对应位的数值变为“1”时，寄存器中的数值将反映在引脚上。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ3．输入寄存器PTIx输入寄存器是一个只读寄存器。任何时候可读，写无效。如果数据方向寄存器DDRx对应位的数值为“0”，即将对应引脚定义为输入时，读取该寄存器总是返回引脚值。读出的值为“0”，表示对应引脚上为低电平；读出的值为“1”，表示对应引脚上为高电平。如果数据方向寄存器DDRx对应位的数值为“1”，即将对应引脚定义为输出时，利用读该寄存器可以监视对应引脚是否过载或短路。如果过载或短路，则该寄存器对应位为1，否则，为0。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ4．驱动控制寄存器RDRx【作用】定义每个输出端口引脚的驱动能力，任何时候可读写。RDRx[7:0]—端口x降功率驱动控制位1=对应引脚输出驱动能力为正常值的1/6。0=对应引脚为输出全功率驱动。如果端口用作输入，该位被忽略。复位后，RDRx寄存器值为$00，引脚默认以满功率驱动输出。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ5．上拉/下拉使能寄存器PERx

【作用】如果端口用作输入或为“线或”模式时，该寄存器设置是否激活内置上拉/下拉器件。任何时候可读写。PERx[7:0]—端口上拉/下拉器件使能位1=对应引脚允许内置上拉或下拉器件。0=对应引脚禁用内置上拉/下拉器件。如果端口用作输出，该位无效。复位后，PERx=$00，禁止上拉/下拉功能。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ【补充】上/下拉电阻的作用当TTL电路驱动COMS电路时，由于TTL电路输出的高电平低于COMS电路的高电平阈值，需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。OC（集电极开路）或OD（漏极开路）门电路必须加上拉电阻，才能使用。为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。管脚悬空容易受外界的电磁干扰。不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻，提高总线的抗电磁干扰能力，防止静电造成COMS芯片损坏。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。长线传输中，电阻不匹配容易引起反射波干扰，加下拉电阻进行电阻匹配，有效抑制反射波干扰。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ6．上拉/下拉选择寄存器PPSx

【作用】选择上拉或下拉器件是否与引脚相连。任何时候可读写。PPSx[7:0]—端口上拉/下拉选择位1=如果端口用作输入、且PERx寄存器相关位设置为允许时，对应的端口引脚与下拉器件相连。0=如果端口用作输入、且PERx寄存器相关位设置为允许时，对应的端口引脚与上拉器件相连。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ6．上拉/下拉选择寄存器PPSx【注意】PORTP、PORTH和PORTJ三个端口具有中断功能，当这三个端口允许中断时，上拉/下拉选择寄存器还具有第二个作用，用于选择引脚上触发中断的形式。PPSx[7:0]—触发中断选择位1=当某个引脚使能中断时，上升沿触发中断。0=当某个引脚使能中断时，下降沿触发中断。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ7.端口线或模式寄存器WOMx端口M和端口S各具有一个线或模式寄存器，用来将输出引脚设置成“线或”方式。任何时候可读写。如果使能，输出驱动仅仅低电平有效，逻辑“1”电平不驱动。也适用于SPI和SCI输出，允许几个串行模块的多点连接。该位对用作输入的引脚没有影响。WOMx[7:0]—线或模式选择位1=输出缓冲器工作在开漏输出(open-drainoutput)状态。0=输出缓冲器工作在推挽输出(push-pulloutput)状态。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例【复习】单片机开漏输出和推挽输出的区别驱动能力不同推挽输出（1）两个参数相同的MOSFET分别受两互补信号的控制，一个管子导通时另一个截止。（2）输出电阻小，导通损耗小，效率高，能够驱动大的负载。单片机管脚可以直接驱动发光二极管、蜂鸣器、甚至更小阻抗的负载。（3）可以输出高、低电平，连接数字器件。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。开漏输出（1）漏极开路，只能输出低电平，需接上拉电阻才能得到高电平状态。（2）适合于吸收型弱电流驱动，接上拉电阻后吸收电流的能力比输出电流的能力强。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ8．中断使能寄存器PIExPORTP、PORTH和PORTJ三个端口具有中断功能，且各有一个中断使能寄存器，允许或禁止相应端口对有效边沿的中断。任何时候可读写。PIEx[7:0]—中断使能位1=允许中断。0=禁止中断(中断被屏蔽)。复位后，中断使能寄存器值为$00，所有端口中断关闭。

基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJ9．中断标志寄存器PIFx

PORTP、PORTH和PORTJ三个端口各有一个中断标志寄存器PIFx(x=P、H、J)。基于PPSx寄存器设置的有效边沿，当相应引脚上出现上升沿或下降沿时，中断标志寄存器中的对应位被置位。任何时候可读写PIFx寄存器。为了清除中断标志，需要向该寄存器中的相应位写“1”。写“0”无效。PIFx[7:0]—中断标志位1=相应引脚上出现有效边沿(如果相应的使能位置位，将产生中断)。0=相应引脚上未出现有效边沿。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.1PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH和PORTJPORTP、PORTH和PORTJ三个端口的中断向量地址及相关标志位、控制位。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2输入/输出端口寄存器及设置5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK1．数据方向寄存器DDRx【作用】决定端口引脚为输出还是输入。DDRx[7-0]—数据方向位1=设置相应的I/O引脚为输出。0=设置相应的I/O引脚为输入。DDRx各位的数值影响相应PORTx寄存器读取的数据源。如果DDRx寄存器某位为“0”（输入），读取的是缓冲的引脚输入状态；如果DDRx寄存器某位为“1”（输出），读取的是相应端口数据寄存器对应位的状态。复位后，数据方向寄存器的值为0x00，引脚默认为输入。【注意】端口E是一个特例，其最低两位只能为输入口，端口E的数据方向寄存器DDRE最低两位是只读位，读这两位始终返回“0”。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK2．I/O寄存器PORTx

I/O寄存器中8位对应每个端口中的相应引脚，当PORTx寄存器处于内存分配表中时，任何时候可读写。如果某端口的引脚被定义为输出，写入I/O寄存器中的数值会从对应引脚输出；如果某端口的引脚被定义为输入，读取I/O寄存器获得对应的引脚电平。为了确保读到PORTx引脚的当前值，写DDRx寄存器后至少等待一个周期，再读PORTx寄存器。【注意】端口E是一个特例，其最低两位只能为输入，端口E的I/O寄存器PORTE最低两位是只读位。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK3．上拉电阻控制寄存器PUCRPORTA、PORTB、PORTE和PORTK都有内置上拉电阻，共用一个控制寄存器PUCR。【作用】选择端口引脚的上拉电阻，第7、4、1和0位分别对应端口K、E、B和A。当PUCR寄存器处于内存分配表中时，任何时候可读写。上拉根据每个端口来分配，适用于当前配置为输入的相应端口的任何引脚。当相应引脚为输出时，这些位无效(上拉设置不起作用)。单片机复位后，端口K和端口E的上拉电阻使能，端口B和端口A的上拉电阻禁止。在扩展和外设模式下，PUCR寄存器不在片内寄存器映射区内。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK3．上拉电阻控制寄存器PUCRPUPKE—端口K上拉使能位1=端口K输入引脚上拉允许。0=端口K输入引脚上拉禁止。PUPEE—端口E上拉使能位1=端口E输入引脚7,4-0上拉允许。0=端口E输入引脚7,4-0上拉禁止。PUPBE—端口B上拉使能位1=端口B所有输入引脚上拉允许。0=端口B上拉禁止。PUPAE—端口A上拉使能位1=端口A所有输入引脚上拉允许。0=端口A上拉禁止。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK4．驱动控制寄存器RDRIVPORTA、PORTB、PORTE和PORTK都可以设置端口输出驱动能力，共用一个控制寄存器RDRIV。【作用】选择相关端口引脚的降功率驱动，第7、4、1和0位分别对应端口K、E、B和A。当RDRIV寄存器处于内存分配表中时，任何时候可读写。如果某个控制位为“1”，对应端口输出驱动能力降低；如果某个控制位为“0”，对应端口为正常驱动输出方式。在扩展和外设模式下，RDRIV寄存器不在片内映射区内。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.2.2PORTA、PORTB、PORTE和PORTK4．驱动控制寄存器RDRIVRDPK-端口K降功率驱动控制位1=允许所有端口K输出引脚低功耗驱动。0=允许所有端口K输出引脚全功率驱动。RDPE-端口E降功率驱动控制位1=允许所有端口E输出引脚低功耗驱动。0=允许所有端口E输出引脚全功率驱动。RDPB-端口B降功率驱动控制位1=允许所有端口B输出引脚低功耗驱动。0=允许所有端口B输出引脚全功率驱动。RDPA-端口A降功率驱动控制位1=允许所有端口A输出引脚低功耗驱动。0=允许所有端口A输出引脚全功率驱动。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例

5.3.1输出设备LED控制实例PORTB连接8只LED，编程实现明灯流水操作。点亮LED灯，并使蜂鸣器发声。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.2输入设备拨码开关读取实例使用PORTA读取8位拨码开关状态。根据拨位开关的状态，点亮或熄灭对应的LED灯。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.3键盘接口设计键盘多由多个按键组成，排列成阵列。当无键按下时，行和列线之间不相连，若第N行第M列的键被按下，则第N行与第M列的线被接通。如果在列线上加上信号，根据行线的状态，便可得知是否有键按下。如果逐列加上信号（扫描列线），读取行线状态，便可判断按键的位置。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.3键盘接口设计用PORTA扩展的4×4键盘：低4位作为行线，高4位作为列线。将端口A的低4位设置为输入、高4位设置为输出（即DDRA=0xF0）。使PORTA的高4位逐列输出低电平，并读取PORTA的低4位，将高4位的输出状态与读取到的低4位状态相“与”，然后查询RAM中的表格便可判断被按下键的位置。【键盘扫描方法】逐行/逐列扫描法反转法【去抖动方法】硬件法——采用斯密特触发器软件法——利用软件延时基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.3键盘接口设计【硬件去抖动处理】利用两级带斯密特触发电路的反相器。【软件去抖动处理】当判断有键按下后，软件延时20ms，再次扫描确认。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.3键盘接口设计基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.3键盘接口设计采用数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片ZLG7289B扩展4×4键盘。【芯片特点】可直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）。可扫描管理多达64只按键。内部含有译码器，可直接接收BCD码或16进制码，并具有两种译码方式。具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。采用SPI串行总线与微控制器接口。利用片选信号，ZLG7289B可以并接在一起使用，实现多于8位的显示或多于64只按键的应用。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.3键盘接口设计通过IRQ中断来检测是否有按键被按下。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.4LED显示接口设计【LED(LightEmittingDiode)】数码管，用发光二极管显示字段的显示器。【LED显示器类型】共阴极、共阳极。共阴极——将8个发光二极管阴极连在一起作为公共端。共阳极——将8个发光二极管的阳极连在一起作为公共端。

(a)外形结构与引脚(共阴)(b)共阴极(C)共阳极基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.4LED显示接口设计数码管的公共端相当于一个位选开关，一般称为位码开关。当该位处于高电平时，数码管全灭；当该位处于低电平时，根据二极管阳极（一般称为段码或字形码）的电平状态，确定段码是否点亮。段码高电平时，该段码亮；段码低电平时，该段码不亮。输出相应的段码值得到LED显示器的字形。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.4LED显示接口设计【LED显示驱动方式】静态驱动，动态扫描。静态驱动方式——每个LED显示器用一个I/O端口驱动。【特点】亮度较高，功耗也较大，占用I/O端口多，适合显示位数少的场合。

动态扫描驱动方式——将多个显示器的段码同名端连接在一起（并联），由位码分别控制各显示器，利用眼睛的余辉暂留效应实现显示。只要保证一定的显示刷新频率，其显示效果与静态显示相当。用一个I/O端口驱动段码，用一个I/O端口实现位码控制。【特点】占用I/O端口少，功耗也小，电路简化，成本降低，适合显示位数的场合。

基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3.4LED显示接口设计基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例键盘、LED显示接口基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.5LCD显示接口设计【LCD类型】段位式、字符式和点阵式。段位式LCD和字符式LCD只能显示简单的字符和数字，不能显示图形、曲线和汉字。点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线以及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、分区开窗口、反转、闪烁等多种功能。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.5LCD显示接口设计【字符式LCD显示器接口电路设计】

YM-0802B系列字符式LCD模块是2×8字符式LCD模块（可显示2行，每行8个字符）。YM-0802B可以工作在全字或半字模式下。

基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.5LCD显示接口设计【字符式LCD显示器接口电路设计】

方案中采用半字模式，以节省I/O口线。A口的高4位作为数据线，与YM-0802B的DB4～DB7连接，PORTB的低3位作为控制线，分别与YM-0802B的RS、R/W、E连接。基于HCS12的嵌入式系统设计》第5章S12输入/输出端口模块及其应用实例5.3输入/输出端口应用实例5.3.5LCD显示接口设计【点阵式LCD显示器接口