1、第7章 MCS-51单片机I/O口及扩展技术,7.1 I/O扩展概述 7.2 8255A的应用 7.3 8155的应用 7.4 串行口扩展I/O技术,从表面上看，MCS-51单片机共有4个8位的并行输入输出口（P0P3），但在实际应用中，这些口往往不能全部用于I/O目的。通常，只要有系统扩展，P0口被作为低8位地址线和数据线使用，P2口被作为高8位地址线使用，而P3口的第二功能更为重要，其口线多留作控制信号使用，真正能被作为I/O口使用的只有P1口。这对于大多数应用系统来说是不够的，因此需要进行I/O口扩展，以增加I/O口的数量，提高I/O口的功能。本章先介绍I/O口的基本知识，再给出几种常用
2、的I/O口的扩展方法。,7.1.1 I/O接口功能为了满足不同外设对CPU的不同要求，I/O接口电路的形式和种类是多种多样的，虽然各种具体的I/O接口的作用不尽相同，但它们都具有以下主要功能： 1实现与不同外设的速度匹配 2实现电平转换 3实现信号转换,7.1 I/O口扩展概述,7.1.2 接口与端口I/O接口（Interface）和I/O端口（Port）是有区别的，不能混为一谈。接口具有界面、相互联系等含义。它是指在计算机与外部设备之间的一种I/O芯片或部件，其功能就是为了使CPU与外设之间方便、顺利地连接并进行可靠的数据传输。其主要功能是通过电路实现的，所以又称为接口电路。I/O端口又简称
3、为I/O口。常指接口电路中用于完成某种信息传送，并可编程读写的寄存器。通常由系统给它们分配一个地址，称为端口地址，CPU通过端口地址就可以对端口中的信息进行读写操作。一个外设通常需要一个I/O接口，但一个I/O接口中可以有多个I/O端口。传送数据字的端口称为数据口，传送命令字的端口称为命令口，传送状态字的端口称为状态口。当然，不是所有的外设都需要三端口齐全的I/O接口。,7.1.3 I/O编址技术在计算机中，凡需进行读写操作的设备都存在编址问题。具体说在计算机中有两种需要编址的部件，一种是存储器，另外一种就是接口电路。存储器是对存储单元进行编址，而接口电路则是对其中的端口进行编址，以便CPU通
4、过端口地址和外设交换信息。通常I/O口有两种编址方式： 1单独编址单独编址是指I/O口地址和存储器单元地址分别编址，互为独立。 2统一编址统一编址就是把I/O口和存储器统一编址。,7.1.4 简单I/O口扩展由于MCS-51单片机的I/O口是按照“输入三态，输出锁存”的原则与总线相连的。因此，在实际应用系统中，采用TTL或CMOS器件中的三态缓冲器和锁存器（如74LS244，74LS245，74LS273，74LS373，74LS377等），可以实现简单I/O口扩展。简单输入扩展就是扩展数据缓冲器，简单输出扩展就是扩展数据锁存器。,7.2 8255A的应用,当单片机系统需要扩展较为复杂的I/O
5、口时，应选用可编程接口芯片，这类芯片功能较强，可以使用一个芯片完成多种不同的接口功能，使用灵活方便，其最大的特点在于工作方式的确定和改变是由CPU通过程序以软件的方式来控制的，因此称之为可编程接口芯片。常用的可编程接口芯片有：8255A：可编程并行接口芯片；8155：可编程并行RAM和I/O接口芯片；8251：可编程串行通信接口芯片；8253：可编程定时/计数器芯片；8279：可编程键盘/显示器接口芯片。,7.2.1 8255A的内部结构和信号引脚8255A是Intel公司生产的通用可编程并行I/O接口芯片。8255A的通用性强且使用灵活，可与MCS-51单片机系统总线直接相连，允许采用同步、
6、异步和中断方式传送I/O数据。 8255A是一个40引脚的双列直插式芯片，其引脚排列和内部结构如图7-2和图7-3所示。,图7-3 8255A内部结构,1I/O端口A、B、C （1）A口：引脚信号PA0PA7。该口有一个8位数据输入锁存器/缓冲器和一个8位数据输出锁存器/缓冲器。当A口作为输入或输出时，数据都被锁存。 （2）B口：引脚信号PB0PB7。该口有一个8位数据输入缓冲器（不锁存）和一个8位数据输出锁存器/缓冲器。当B口作输入口时不对数据锁存；作输出口时对数据锁存。 （3）C口：引脚信号PC0PC7。该口有一个8位数据输入缓冲器（不锁存）和一个8位数据输出锁存器/缓冲器。可编程为两个4
7、位输入或输出寄存器。当C口作输入口时不对数据锁存；作输出口时对数据锁存。,A组和B组控制电路8255A内部有两个工作方式控制电路，一个是A组控制电路，用来控制A口和C口的高四位PC7PC4，另一个是B组控制电路用来控制B口和C口的低4位PC3PC0。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接收CPU送来的控制字，以决定8255A的工作模式。 数据总线缓冲器数据总线缓冲器为8位双向三态缓冲器，可直接和MCS-51的数据线相连。D7D0用来传送8255A和CPU间的数据字、控制字和状态字。,读/写控制逻辑电路这部分电路可以接收MCS-51送来的读写命令和选口地址，用于控制对8255A的读写。与读
8、写有关的控制信号有： /CS ：片选信号，低电平有效； /RD：读信号，低电平有效； /WR：写信号，低电平有效； RESET：复位信号，高电平有效；该信号有效时，能使所有内部寄存器清零，所有I/O口被置成输入方式 A1、A0：端口选择信号。上述控制下信号对8255A端口选择和读写操作如表7-1（P144）所示。,7.2.2 8255A的工作方式及数据I/O操作 18255A的工作方式8255A有三种工作方式，即方式0、方式1和方式2。 （1）方式0：基本输入输出方式。在这种方式下，A，B，C三个端口都可设置成输入或输出，但不能既作输入又作输出。另外，C口还可以分为上半部分（PC7PC4）和下
9、半部分（PC3PC0）来设置传送方向，即两个4位口。方式0适用于无条件数据传送方式，但也可人为指定某些位为状态信息，实现查询方式的数据传送。 （2）方式1：选通输入输出方式（具有握手信号的I/O方式）。在这种方式下，A口和B口可由编程设定为输入或输出口，而C口的某些位则被规定为配合A口和B口的联络信号。方式1适用于查询或中断方式的数据输入/输出。,（3）方式2：双向传输方式，既可发送数据，又可接收数据，只有端口A可以选择这种方式。在这种方式下，端口C中有5位用于配合A口输入输出的联络信号。方式2适用于查询或中断方式的双向数据传送。如果把A口置于方式2下，则B口只能工作于方式0。 2数据输入操作
10、用于数据输入的联络信号有 ： /STB：选通脉冲，输入信号，低电平有效。当其有效时将外设数据装入到8255A的锁存器中。 IBF：输入缓冲器满信号，输出信号，高电平有效。当其有效时，表示外设数据已装入输入缓冲器且没有被CPU取走。 INTR：中断请求信号，输出信号，高电平有效。当数据输入完毕（STB信号变高），输入缓冲器满（IBF为高电平）时有效，向CPU申请中断，请求取走数据。,3数据输出操作 表7-2中用于数据输出的联络信号有： /ACK：外设响应信号，输入信号，低电平有效。当外设取走8255A端口的数据，并处理完后发回的响应信号。 /OBF：输出缓冲器满信号，输出信号，低电平有效。当CP
11、U把输出数据写入8255A锁存器后，该信号有效，用于通知外设可以取走数据。 INTR：中断请求信号，输出信号，高电平有效。,7.2.3 8255A的控制字8255A作为可编程器件，其工作方式可由软件来选择，并且对C口的每一位都可以通过软件实现置位和复位。8255A有两种控制字，一种是工作方式选择控制字，另一种是C口置位/复位控制字。这两种控制字共用一个地址，若D7=1，则是方式控制字，D7=0，为C口复位/置位控制字。特别要注意，只有在控制字写入8255A的控制口中才起作用。 1工作方式控制字。工作方式控制字的格式如图7-4所示。,图7-4 8255A工作方式控制字格式,2C口置位/复位控制字
12、C口置位/复位控制字的格式如图7-5所示。8255A的C口输出具有位控制功能，把一个置位/复位控制字写入控制口后，就可以实现C口的某一位置1或清0。 例如：要使PC2引脚输出高电平，只要把控制字 00000101B写入控制口即可。,图7-5 8255A C口置位/复位控制字格式,7.3 8155的应用,与8255A相比，8155具有更强的功能，因为它除了能提供并行接口所需的各种电路之外，内部还包括有256B的SRAM和一个14位可编程定时器/计数器（最大时钟频率4MHZ）。8155是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。 7.3.1 8155芯片结构及引脚功能 18155的结构如图
13、7-7所示，8155由以下三个部分组成：,图7-7 8155结构框图,2引脚功能8155为双列直插式40脚封装芯片，如图7-8所示。主要引脚功能介绍如下：,（1）AD7AD0：三态地址/数据总线，可以直接与MCS51单片机的P0口相接，用于分时传送地址/数据信息。做地址线用时，由输入的IO/ / M信号的状态来决定是存储器地址还是I/O口地址。做数据线用时，数据是写入还是读出8155，由系统控制信号/WR和/RD决定。 （2）RESET：复位信号，高电平有效。8155以600ns的正脉冲进行复位，复位后A、B、C口均被置成输入工作方式。 （3）ALE：地址锁存允许信号。ALE信号的下降沿将AD
14、7AD0线的地址、片选信号 CE以及IO/ /M信号锁存在8155片内锁存器中。,（4）CE：片选信号，低电平有效。 （5）IO/ /M：是I/O口和SRAM的选择信号。（6）WR：写选通信号。低电平有效时，将AD7AD0上的数据写入SRAM的某一单元（IO/M=0时），或写入某一I/O口（IO/M=1时）。 （7）/ RD：读选通信号。 （8）PA7PA0 ：A口的通用I/O线，数据的输入或输出由可编程的命令寄存器内容决定。 （9）PB7PB0 ：B口的通用I/O线，数据的输入或输出由可编程的命令寄存器内容决定。,（10）PC5PC0 ：C口的I/O线，既具有通用的I/O口功能，又具有对端口
15、A和B起某种控制的功能，各种功能的实现均由可编程的命令寄存器内容决定。 （12）TMRIN：定时器/计数器时钟脉冲输入端。 （13） /TMROUT：定时器/计数器输出端，其输出信号的波形和定时器/计数器的工作方式有关。,7.3.2 8155的命令/状态字8155的命令寄存器和状态寄存器为独立的8位寄存器，分别存放命令字和状态字。但由于对命令寄存器只能进行写操作，而对状态寄存器只能进行读操作，因此，为了简化硬件，让命令寄存器和状态寄存器共用一个端口地址，合在一起称之为命令/状态寄存器。 （1）命令字的格式8155的命令字共有8位，用于设定8155的工作方式以及实现对中断和定时器/计数器的控制。
16、命令字只能写入，不能读出。命令字的格式如图7-9所示：,图7-9 8155的命令字格式,（2）状态字的格式8155的状态字也是8位，最高位为任意值，低6位用于指定端口的状态，另一位用于指示定时器/计数器的状态，供CPU查询。状态字只能读出，不能写入。8155的状态字格式如图7-10所示。,图7-10 8155的状态字格式,7.3.3 8155定时/计数器8155的定时/计数器是一个14位的减法计数器，可用来定时或对外部事件进行计数。计数长度和输出方式由输入给定时/计数器的计数控制字来决定。定时/计数器由两个8位的寄存器构成，其中低14位为计数长度，可表示的长度范围为2H3FFFH，余下的两个高
17、位（M2、M1）用于定义计数器输出的信号方式。其中M2、M1所定义的输出信号方式见图7-12所示。,图7-12 8155定时/计数器的输出方式,使用定时/计数器时，应注意以下两点： （1）任何时刻都可以将计数长度和输出方式装入定时/计数器，装入后必须再对命令寄存器装入启动命令。在定时/计数器计数期间，新装入的计数长度和输出方式不影响原来的操作，新的启动命令装入后，要等到原计数值减到0才起作用。 （2）8155复位后，定时/计数器的长度和方式不被预置，但停止计数。,734 8155芯片与单片机的连接8155芯片可以与MCS-51单片机直接连接而不需要附加任何电路，图7-13为8155与8051接
18、口的一种方案：电路中8051的P2.1与 8155的/CE相连，8051的P2.0与8155的IO/ /M相连，8051的P0.7P0.0与8155的AD7AD0相连时，8155的SRAM和I/O口地址分配如下： 当P2.1 =0，P2.0=0时，选中8155片内SRAM，地址为：FC00HFC FFH。 当P2.1 =0，P2.0=1时，选中I/O口，各口的地址分配为： 命令/状态口地址：FD00H A口地址：FD01H B口地址：FD02H C口地址：FD03H 定时器低8位地址：FD04H 定时器高8位地址：FD05H,图7-13 8155和8051的连接,例7-2 若8155的端口A定
19、义为基本输入方式，端口B定义为基本输出方式，端口C定义为输入方式，禁止中断，要求对8031输入脉冲进行千分频，即计数1000后，电平状态变化，并重新置数以产生连续方波，请写出相应的初始化程序 解：分析如下：此题要用到8155定时/计数器的计数功能。由于要求输出连续方波，因此计数器的最高两位M2M1=01。计数器的其它14位装入计数初值十进制数1000，十六进制数为03E8H。则：计数器高位字节为43H，计数器低位字节为E8H。,按题目要求，8155的命令字应为C2H。 相应初始化程序为：MOV DPTR，# FD04H；指向定时器寄存器低8位MOV A，# E8H ；设定时器寄存器低8位初值M
20、OVX DPTR，A ；装入初值INC DPTR ；指向定时器寄存器高8位MOV A，# 43H ；设定时器寄存器高8位初值MOVX DPTR，A ；装入初值MOV DPTR，# FD00H；指向命令寄存器MOV A，# C2H ；设命令字MOVX DPTR，A ；装入命令字,7.4 串行口扩展I/O口技术,MCS-51单片机的串行口有4种工作方式，其中，方式0主要用于I/O口扩展。当串行口工作于方式0时，RXD（P3.0）端接收、发送数据，TXD（P3.1）端发送移位脉冲，因此，可用TXD、RXD方便地控制串入并出的同步移位寄存器74LS164或CD4094，扩展并行输出接口；如果用TXD、
21、RXD控制并入串出的同步移位寄存器74LS165或CD4014，可以扩展并行输入接口。由于串行通讯的操作速度比较慢，所以这种扩展技术只适用于对速度要求不高的场合。,例7-3 图7-14是采用一片74LS164扩展8位并行输出口的电路。现在如果在并行输出端接8个发光二极管，设发光二极管为共阴极接法。请编写发光二极管自左至右以一定速度轮流显示，且不断循环的程序。 解：分析如下：74LS164是一种8位串行输入（DATA端）并行输出的同步移位寄存器，采用TTL工艺制成。CLK为移位脉冲输入端。STB为控制端，在这里与8051的P1.0相连，当STB=0时，74LS164的并行输出端关闭，但允许数据串
22、行移位输入；若STB=1，则74LS164的串行输入端关闭，但允许数据并行输出。,图 用74LS164扩展并行输出口的电路,设串行口采用中断方式发送，发光二极管的显示时间由延时程序DELAY实现，参考程序如下： 主程序： MOV SCON，# 00H；串行口初始化为方式0 MOV IE，# 90H ；允许串行中断 CLR P1.0 ；关闭并行输出 MOV A，# 80H ；起始显示码送A MOV SBUF，A ；8051串行输出SJMP $ ；等待中断,中断服务程序： SETB P1.0 ；开启并行输出，点亮发光管 ACALL DELAY ；点亮一段时间 CLR TI ；清发送中断标志 RR A ；准备点亮下一位 CLR P1.0 ；灭显示 MOV SBUF，A ；串行口输出 RETI ；中断返回,
