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4.3 输入 / 输出接口扩展

4.3 输入 / 输出接口扩展. 问题的提出. MCS-51 系列单片机内部有 4 个双向的 8 位并行 I/O 端口： P0 、 P1 、 P2 和 P3 口。 在实际的应用系统中， P0 、 P2 、 P3 口往往用来代替系统总线使用，数据口仅剩下 P1 口了。另外，单片机内部 I/O 口的功能也过于简单，只有数据锁存和缓冲功能，而没有状态寄存和命令寄存功能，难以满足复杂的 I/O 操作的要求。 鉴于单片机的 I/O 资源比较有限，在实际应用中不得不使用扩展的方法，以增加 I/O 口的数量，强化 I/O 的功能。 常用的 I/O 扩展有以下两种形式：

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4.3 输入 / 输出接口扩展

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  1. 4.3 输入/输出接口扩展 问题的提出 • MCS-51系列单片机内部有4个双向的8位并行I/O端口：P0、P1、P2和P3口。 • 在实际的应用系统中，P0、P2、P3口往往用来代替系统总线使用，数据口仅剩下P1口了。另外，单片机内部I/O口的功能也过于简单，只有数据锁存和缓冲功能，而没有状态寄存和命令寄存功能，难以满足复杂的I/O操作的要求。 • 鉴于单片机的I/O资源比较有限，在实际应用中不得不使用扩展的方法，以增加I/O口的数量，强化I/O的功能。 • 常用的I/O扩展有以下两种形式： • 简单I/O接口芯片的扩展 • 可编程I/O接口电路的扩展

  2. 什么样的芯片是简单芯片？复杂芯片又是什么样的？什么样的芯片是简单芯片？复杂芯片又是什么样的？ • 简单芯片：是指那些虽具有数据缓冲或锁存功能，但自身仅有数据的输入或输出及选通端或时钟端，却没有地址线和读写控制线，如采用TTL或CMOS数字集成电路构成的三态门、寄存器、三态缓冲寄存器等中小规模的集成电路芯片。 • 可编程逻辑器件： • 那些不仅具有数据的输入或输出、具有选通端或时钟端，而且还具有地址线和读写控制线的芯片，他们一般具有片内的状态字寄存器、命令字寄存器，允许通过软件编程来改变它的接口功能或状态。如：intel 8255、8155 、8279 etc.

  3. 4.3.1简单I/O接口芯片的扩展 • 简单的I/O口扩展通常是采用TTL或CMOS电路锁存器、三态门等作为扩展芯片（74LS244、74LS245、74LS273、74LS373、74LS377等），通过P0口来实现扩展的一种方案。它具有电路简单、成本低、配置灵活的特点。 • 简单的I/O口扩展主要包括： • 缓冲器扩展输入口（三态门： 74LS244、74LS245等） • 输入接口的主要功能：解决数据输入的缓冲问题，如74ls244(具有三态缓冲功能，这样才可以和数据总线相连)。 • 锁存器扩展输出口（锁存器： 74LS273、74LS373、 74LS377等） • 输出接口的主要功能：进行数据的保持（数据锁存）。

  4. 缓冲器扩展输入口 • 利用74LS244进行输入口的扩展 74LS244引脚封装图 MCS-51与74LS244的接口电路图

  5. 74LS244是一种8位的三态缓冲器。当它的控制端1G（2G）74LS244是一种8位的三态缓冲器。当它的控制端1G（2G） • 为低电平时，输出等于输入；当它的控制端1G（2G）为高电平 • 时，输出呈高阻态。 • 在上图的电路中，P2.7与RD相或后作为244的使能信号， • 单片机的P0口与74LS244的8位输出端相连，所以74LS244的 • 地址为：7FFFH（P2.7=0即A15=0，A14..A0为任意，这里取1， • 得到7fffh，当然，0000h~7fffh中任一地址均可）。 • 当单片机从74LS244读取数据时应该为： • MOV DPTR，#7FFFH ；将74LS244的口地址送入DPTR • MOVX A，@DPTR ； 74LS244的端口读取数据到ACC • ；执行时，RD有效，p2.7=0,选通了74ls244。 • 注意： MOVX A，@DPTR; 读操作，产生 RD 低电平信号

  6. 锁存器扩展输出口 • 利用74LS273进行输出口的扩展 74LS273引脚封装图 MCS-51与74LS273的接口电路图

  7. 74LS273是一种8D触发器器。当它的控制端信号有效且触发端信号有效时，输入D1-D8端的数据被锁存到8D触发器中并形成输出Q1-Q8。 • 在上图的电路中，P2.7与WR相或后作为74LS273的锁存信号（clk下降沿有效），单片机的P0口与74LS273的8位输出端相连，所以74LS273的地址为：7FFFH。（仅使P2.7=0，地址可以是0000h~7fffh中的任一个。） • （仅当p2.7=0且WR=0时，clk才为0，数据被打入。） • 所以，当单片机从74LS244输出数据是应该为： MOV DPTR，#7FFFH ；将74LS244的口地址送入DPTR MOVX @DPTR，A ；从ACC 向74LS244的端口写数据 ; P2.7=0&WR=0,数据被打入到2732锁 存器 注意： MOVX @DPTR , A; 写操作，产生 WR 低电平信号

  8. 一、可编程芯片8155的扩展 • Intel 8155是一个具有RAM、I/O和计数器的通用可编程接口芯片。其具有的资源为 • 256B的静态RAM； • 两个可编程的8位并行I/O口PA和PB； • 一个可编程的6位并行I/O口PC； • 一个可编程14位减计数器TC； • 8位地址锁存器。 • 示意图 • 是指芯片功能可由指令来确定，即需要对其编程。

  9. IO/M 256 字节 A PA0～PA7 AD0～AD7 静态 RAM CE PB0～PB7 B ALE RD 14 位 定时 WR PC0～PC7 计数器 C RESET TIMER IN VCC(＋5 V) VSS(GND) TIMER OUT 8155的引脚封装图 8155的内部接口图

  10. 1. 8155的内部结构 • 8155各引脚的功能为： • 地址/数据线AD0～AD7（8条）：是低8位地址线和数据线的共用输入总 • 线，常和MCS-51单片机的P0口相连，用于分时传送地址和数据； • PA0～PA7、PB0～PB7：为A、B口线，用于和外设之间传递数据； • PC0～PC5为C端口线，既可与外设传送数据，也可以作为A、B口的控制 • 联络线； • CS：片选线，低电平有效。

  11. RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连。 • ALE：地址锁存线，高电平有效。 • IO/M：RAM或I/O口的选择线。当为0时，选中8155的256 B RAM；当为1时，选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器。 • RD和WR：读/写线，控制8155的读、写操作。 • TMRIN（TI）：定时/计数器的脉冲输入端。 • TMROUT（TO）：定时/计数器的输出信号端。 • VCC：电源端。 • GND：接地端。

  12. 2. 8155的RAM和I/O口地址编码 • 8155当IO/M为0时，单片机对8155的RAM进行操作，共256B，低八位的地址为：00H—0FFH。 • 8155当IO/M为1时，单片机对8155的I/O口进行操作。 8155内部寄存器地址分配表

  13. 3. 8155的命令字和状态字 • 芯片8155 的I/O口和定时器/计数器的工作方式可以通过对8155的命令寄存器写入控制字来实现。 • 8155的命令寄存器和状态寄存器使用同一个地址。 • 8155的命令字命令字主要规定了8155的I/O口和定时器的工作方式。 • 8255的状态字状态字的内容包含8155的I/O口的工作状态标志。

  14. MCS-51单片机与8155的接口 PA口 PB口 PC口

  15. IEB TM2 TM1 IEA PC2 PC1 PB PA PA A 口方式 0:输入 1:输出 B 口方式 方式1:A、B口基本I/O；C口输入 00 方式2:A、B口基本I/O；C口输出 11 方式3:A口选通I/O；B口基本I/O 01 方式4:A、B口选通I/O 10 0:禁止中断 A口 B口 1:允许中断 00:空操作 01:停止计数 计数器 10:计满后停止 方式 11:开始计数 8155的命令字格式

  16. -- TIMER INTEB BFB INTRB INTEA BFA INTRA A口中断请求标志： 0:无; 1:有 A口缓冲器： 0:空; 1:满 A口中断允许： 0:禁止; 1:允许 B口中断请求标志： 0:无; 1:有 1:满 0:空; B口缓冲器： B口中断允许： 0:禁止; 1:允许 定时器中断标志: 1:有定时器溢出中断 0:读状态字后或硬件复位后 8155的状态字格式

  17. 8155的I/O的工作方式 • 基本I/O方式：联络线由程序指定，对计数器输入输出不起控制作用，没有中断能力，输出联络线由软件程序来控制。 • 选通I/O方式：由PC口的低三位作联络线使用，其余位作I/O线；输入联络线可以起选通数据锁存作用；中断时有中断请求信号产生；各个联络线为： • INTRA：中断请求输出标志。 • BFA：PA口缓冲器/空输出信号。 • STBA：数据选通输入信号。

  18. 4. 8155的定时器/计数器 • 8155片内的定时器/计数器是一个14位的减计数器。计数器分为高6 • 位和低8位寄存器，它的计数初值有程序预置。它的格式为： 高字节寄存器（M2和M1是工作方式码） 低字节寄存器（T0—T13为计数器的初值）

  19. M2 M1 方 式 波 形 0 0 0 1 1 0 1 1 单次方波 连续方波 单个脉冲 连续脉冲 8155定时器/计数器四种操作方式和输出波形

  20. 5. 8155的应用 • 1)8155RAM的使用例题：假定在MCS-51单片机的内部RAM中，从30H开始存放一组数据，字节数为50，要求将该组数据存入8155 RAM中，起始地址为7E00H。 • 程序为：………………..RAMWR:MOV R0,#30H • MOV DPTR,#7E00H MOV R2,#50 RAMW:MOV A,@R0 MOVX @DPTR,A INC R0 INC DPTR • DJNZ R2,RAMW ………………… 思考：如果要把8155 RAM中，从地址为7E00H开始的50个数据存入单片机的30H开始的数据存储单元中，应该如何处理？

  21. 2) 8155的I/O口的使用 • 例题：假定8155的PA口接8个乒乓开关，8155的PB口接8个指示灯，要求PB显示PA口的开关状态。命令/状态寄存器地址为7E00H,PA地址为7E01H ,PB地址为7E02H 。8155的命令字为：02H（ PA和 PB为基本I/O方式）。 • 程序为： • ORG 0000H MOV DPTR,#7E00H MOV A,#02H MOV @DPTR,ALOOP: • MOV DPTR,#7F01H MOVX A,@DPTR • INC DPTR MOVX @DPTR,A • SJMP LOOP END 写命令字，送入命令/状态寄存器 8155的A口数据送入ACC ACC数据写入8155的B口 循环执行

  22. 二、可编程芯片8255的扩展 • 8255是一个通用可编程接口电路。其具有的资源为： • 三个可编程的8位并行I/O口PA、PB和PC口； • PC口可以按位进行操作。 数据总线 PA口 控制总线 PB口 PC口 8255A的引脚封装图

  23. I/O A A 组 组 控制 A PA7～PA0 端口 (8) A I/O 组 数据 C 端口 总线 PC7～PC4 (4) 上半部 D7～D0 缓冲 B I/O 组 C 端口 PC3～PC0 (4) 下半部 B 组 I/O RD B 组 读/写 B 端口 WR A0 控制 控制 (8) PB7～PB0 A1 逻辑 RESET CS 8255的内部接口图

  24. 1. 8255的内部结构 • 8255各引脚的功能为： • 地址/数据线D0～D7：是低8位地址线和数据线的共用输入总线，常和MCS-51单片机的P0口相连，用于分时传送地址和数据； • PA0～PA7、PB0～PB7：为A、B口线，用于和外设之间传递数据； • PC0～PC7为C端口线，既可与外设传送数据，也可以作为A、B口的控制联络线； • CS：片选线，低电平有效。 • RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连。 • A0和A1：I/O口的选择线，通过它可以选择PA口、PB口、PC口和控制寄存器。 • RD和WR：读/写线，控制8255的读、写操作。 • VCC：电源端。 • GND：接地端。

  25. A1 • A0 • RD • WR • CS • 操作 • 0 • 0 • 0 • 1 • 0 • 从PA口输入 • 0 • 1 • 0 • 1 • 0 • 从PB口输入 • 1 • 0 • 0 • 1 • 0 • 从PC口输入 • 0 • 0 • 1 • 0 • 0 • 从PA口输出 • 0 • 1 • 1 • 0 • 0 • 从PB口输出 • 1 • 0 • 1 • 0 • 0 • 从PC口输出 • 1 • 1 • 1 • 0 • 0 • 从命令口输入 • X • X • X • X • 1 • 高阻态 • 1 • 1 • 0 • 1 • 0 • 非法态 • X • x • 1 • 1 • 0 • 高阻态 2. 8255A的端口选择和基本操作

  26. 3. 8255A的控制字 • 8255有两个控制字： • 方式控制字方式控制字用于设定单片机的PA口、PB口和PC口的工作方式。 • 置位/复位控制字置位/复位控制字用于对8255A的PC口按位进行操作。

  27. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B 组 C 0: 口 输出 4 低 位 1: 输入 0: 输出 B 口 1: 输入 0: 0 模式 方式 1: 1 模式 选择 A组 0: 输出 C 口 4 高 位 1: 输入 0: 输出 A 口 1: 输入 00: 0 模式 01: 1 方式选择 模式 1*: 2 模式 1: 方式标志 方式控制字

  28. D7 × × × D3 D2 D1 D0 0: 复位 1: 置位 位选择 PC0 000 PC1 001 PC2 010 PC3 011 PC4 100 PC5 101 PC6 110 PC7 111 0: 位操作 置位/复位控制字

  29. 4. 8255A的工作方式 • 8255A有3种工作方式 • 工作方式0基本的输入/输出方式 • 工作方式1选通工作方式 • 工作方式2双向传送方式，只有PA口工作于此方式。

  30. 5. 8255A和MCS-51单片机的接口 显示输出 开关量输入

  31. 6.8255A应用举例： • 例1：在上图所示的8255与单片机的连接电路中， • 8255A的PC口(7FFEH)作为开关量的输入； • 8255A的PA口(7FFCH)作为信号的输出； • 要求8个数码管显示PC口输入的外部信号状态。 • 8255A的工作方式字设定： • 由题意可知8255的工作方式字应该为：89H

  32. 8255初始化 选中8255 的PC口 从8255的PC口 读入数据 选中8255 的PA口 从8255的PA口 输出数据 流程图：

  33. 程序清单： • ORG 0000H • MOV DPTR,#7FFFH • MOV A,#89H • MOVX @DPTR,A • LOOP:MOV DPTR,#7FFEH • MOVX A,@DPTR • MOV DPTR,#7FFCH • MOVX @DPTR,A • SJMP LOOP • END 写命令字，送入命令/状态寄存器 8255的C口数据送入ACC ACC数据写入8255的A口 循环执行

  34. 例2：在8255与单片机的连接电路中，使用置位/复位控制字实现在8255A的PC7输出方波。例2：在8255与单片机的连接电路中，使用置位/复位控制字实现在8255A的PC7输出方波。 • 解：8255A的控制寄存器(7FFEH)的设定D7：恒为0；D6-D4：未使用；D3-D1：PC口的位选择；D0：置位时为1，复位时为0。 • 所以： • 当PC7输出高电平时，控制寄存器应该为：0FH；PC7输出低电平时，控制寄存器应该为：0EH。

  35. 程序清单： • ORG 0000H MOV DPTR,#7FFFHLOOP: MOV A,#0FH MOVX @DPTR,AMOV R2，#80H DJNZ R2，$ MOV R2,#80H MOV A,#0EH MOVX @DPTR,ADJNZ R2，$ SJMP LOOP END 写PC7=1的命令字 延时 写PC7=0的命令字 循环执行

  36. 小 结 • 本章要求： • 掌握MCS-51单片机的三总线形成； • 了解常用的程序存储器、数据存储器，以及它们与单片机如何进行连接，连接好的存储单元如何确定其地址； • 掌握用缓冲器、锁存器等扩展简单I/O接口电路； • 掌握8155可编程接口芯片的基本性能、端口与存储单元的编址方法，以及与单片机的连接电路，口的基本应用； • 了解8155定时器的应用； • 掌握8255A的功能及应用。

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