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第9章MCS-51扩展I/O接口的设计9.1I/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。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。9.1.1I/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µs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。9.1.2I/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）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。9.1.3I/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。9.1.4I/O接口电路如何实现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）8255A：可编程的通用并行接口电路（3个8位I/O口）。（2）8155H：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。9.2MCS-51与可编程并行I/O芯片8255A的接口9.2.18255A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：D7～D0：三态双向数据线，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。PA7～PA0：A口输入/输出线。PB7～PB0：B口输入/输出线。PC7～PC0：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（PC7～PC4）；B组：PB口和PC口的下半部（PC3～PC0）,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9-18255A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010101001000100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011001010011100××××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（PC7～PC4）随A口称为A组，C口下半部分（PC3～PC0）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（PC3～PC0）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。9.2.38255A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：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.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。INTEA：A口中断允许，由PC4控制，INTEB：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。INTEA：中断允许，由PC6控制。INTEB：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，PA7～PA0为双向I/O总线。当输入时，PA7～PA0受STBA*和IBFA控制，其工作过程和方式1输入时相同；当输出时，PA7～PA0受OBFA*、ACKA*控制，其工作过程和方式1输出时相同。9.2.4MCS-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：FF7CHB口：FF7DHC口：FF7EH控制寄存器：FF7FH3.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：MOVA,#90H；A口方式0输入，B口、；C口输出的控制字送AMOVDPTR,#0FF7FH；控制寄存器地址→DPTRMOVX@DPTR,A；方式控制字→控制寄存器MOVDPTR,#0FF7CH；A口地址→DPTRMOVXA,@DPTR；从A口读数据MOVDPTR,#0FF7DH；B口地址→DPTRMOVA,#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口输出例9-2对端口C的置位/复位。把PC5置位，控制字为0BHMOVR1,#7FH；控制口地址→R1MOVA,#0BH；控制字→AMOVX@R1,A；控制字→控制口，PC5=1把PC5复位，控制字为0AHMOVR1,#7FH；控制口地址→R1MOVA,#0AH；控制字→AMOVX@R1,A；控制字→控制口，PC5=09.3MCS-51单片机与8155H的接口9.3.18155H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）AD7～AD0（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01×××××000命令/状态寄存器01×××××001A口01×××××010B口01×××××011C口01×××××100计数器低8位01×××××101计数器高6位00××××××××RAM单元3.CPU对8155HI/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9.3.28155H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AD7～AD0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ALT1ALT2ALT3ALT4PC0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*