MCS-51擴展IO接口的設計.ppt

1、第9章 MCS-51擴展I/O接口的設計,9.1 I/O接口擴展概述 MCS-51的I/O (輸入/輸出)接口是MCS-51與外部設備(簡稱外設)交換信息的橋梁。 I/O擴展也屬于系統(tǒng)擴展的一部分。雖然MCS-51本身位數(shù)據(jù)總線，真正用作I/O口線的只有P1口的8位I/O線和P3口的某些位線可作為輸入/輸出線使用。MCS-51已有4個I/O口，但是P0口和P2口用作16位地址總線和8的I/O資源有限，因此，在多數(shù)應用系統(tǒng)中，MCS-51單片機都需要外擴I/O接口電路。,9.1.1 I/O接口的功能,MCS-51擴展的I/O接口電路主要應滿足以下功能要求： 1. 實現(xiàn)和不同外設的速度匹配 不同外

2、設的工作速度差別很大，但大多數(shù)的外設的速度很慢，無法和s量級的單片機速度相比。MCS-51和外設間的數(shù)據(jù)傳送方式有同步、異步、中斷三種。無論采用哪種數(shù)據(jù)傳送方式來設計I/O接口電路，單片機只能在確認外設已為數(shù)據(jù)傳送做好準備的前提下才能進行I/O操作。而要知道外設是否準備好，就需要I/O接口電路與外設之間傳送狀態(tài)信息，以實現(xiàn)單片機與外設之間的速度匹配。,2. 輸出數(shù)據(jù)鎖存 由于單片機的工作速度快，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上保留的時間十分短暫，無法滿足慢速外設的數(shù)據(jù)接收。所以，在擴展的I/O接口電路中應具有數(shù)據(jù)鎖存器，以保證輸出數(shù)據(jù)能為接收設備所接收?？梢姅?shù)據(jù)輸出鎖存應成為I/O接口電路的一項重要功能。 3

3、. 輸入數(shù)據(jù)三態(tài)緩沖 輸入設備向單片機輸入數(shù)據(jù)時，要經(jīng)過數(shù)據(jù)總線，但數(shù)據(jù)總線上面可能“掛”有多個數(shù)據(jù)源，為了傳送數(shù)據(jù)時，不發(fā)生沖突，只允許當前時刻正在進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)源使用數(shù)據(jù)總線，其余的數(shù)據(jù)源應處于隔離狀態(tài)，為此要求接口電路能為數(shù)據(jù)輸入提供三態(tài)緩沖功能。,9.1.2 I/O端口的編址,在介紹I/O端口編址之前，首先要弄清楚I/O接口（Interface）和I/O端口（Port）的概念。I/O端口簡稱I/O口，常指I/O接口電路中具有端口地址的寄存器或緩沖器。I/O接口是指單片機與外設間的I/O接口芯片。一個I/O接口芯片可以有多個I/O端口，傳送數(shù)據(jù)的稱為數(shù)據(jù)口，傳送命令的稱為命令口，傳送

4、狀態(tài)的稱為狀態(tài)口。當然，并不是所有的外設都需要三種端口齊全的I/O接口。 因此，I/O端口的編址實際上是給所有I/O接口中的端口編址，以便CPU通過端口地址和外設交換信息。常用的I/O端口編址有兩種方式，一種是獨立編址方式，另一種是統(tǒng)一編址方式。,1獨立編址方式 獨立編址方式就是I/O地址空間和存儲器地址空間分開編址。獨立編址的優(yōu)點是I/O地址空間和存儲器地址空間相互獨立，界限分明。但是，卻需要設置一套專門的讀寫I/O的指令和控制信號。 2統(tǒng)一編址方式 這種編址方式是把I/O端口的寄存器與數(shù)據(jù)存儲器單元同等對待，統(tǒng)一進行編址。統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點是不需要專門的I/O指令，直接使用訪問數(shù)據(jù)存儲器的

5、指令進行I/O操作，簡單、方便且功能強。,MCS-51單片機使用的是I/O和外部數(shù)據(jù)存儲器RAM統(tǒng)一編址的方式，用戶可以把外部64K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM空間的一部分作為I/O接口的地址空間，每一接口芯片中的一個功能寄存器（端口）的地址就相當于一個RAM存儲單元，CPU可以象訪問外部存儲器RAM那樣訪問I/O接口芯片，對其功能寄存器進行讀、寫操作。,9.1.3 I/O數(shù)據(jù)的幾種傳送方式,為了實現(xiàn)和不同的外設的速度匹配，I/O接口必須根據(jù)不同外設選擇恰當?shù)腎/O數(shù)據(jù)傳送方式。I/O數(shù)據(jù)傳送的幾種傳送方式是：同步傳送、異步傳送和中斷傳送。 1.同步傳送方式 同步傳送又稱為無條件傳送。當外設速度和單

6、片機的速度相比擬時，常常采用同步傳送方式，最典型的同步傳送就是單片機和外部數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送。 2.查詢傳送方式 查詢傳送又稱為有條件傳送，也稱異步式傳送。單片機通過查詢外設“準備好”后，再進行數(shù)據(jù)傳送。異步傳送的優(yōu)點是通用性好，硬件連線和查詢程序十分簡單，但是效率不高。為了提高單片機對外設的工作效率，通常采用中斷傳送方式。,3.中斷傳送方式 中斷傳送方式是利用MCS-51本身的中斷功能和I/O接口的中斷功能來實現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的傳送。單片機只有在外設準備好后，發(fā)出數(shù)據(jù)傳送請求，才中斷主程序，而進入與外設數(shù)據(jù)傳送的中斷服務程序，進行數(shù)據(jù)的傳送。中斷服務完成后又返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。因此，采用中

7、斷方式可以大大提高單片機的工作效率。,9.1.4 I/O接口電路,下面來討論如何實現(xiàn)I/O接口的擴展。MCS-51單片機是Intel公司的產(chǎn)品，而Intel公司的配套可編程I/O接口芯片的種類齊全，這就為MCS-51單片機擴展I/O接口提供了很大的方便。 Intel公司常用的外圍I/O接口芯片有： （1）8255A：可編程的通用并行接口電路（3個8位I/O口）。 （2）8155H：可編程的IO/RAM擴展接口電路（2個8位I/O口,1個6位I/O口, 256個RAM字節(jié)單元，1個14位的減法定時器/計數(shù)器）。,它們都可以和MCS-51單片機直接連接，且接口邏輯十分簡單。此外，74LS系列的TT

8、L電路也可以作為MCS-51的擴展I/O口，如74LS244、74LS273等。本章除了介紹上述各種I/O接口電路與MCS-51單片機的接口設計，最后還介紹如何利用MCS-51的串行口來擴展并行I/O口。,9.2 MCS-51與可編程并行I/O芯片8255A的接口設計,9.2.1 8255A芯片介紹 8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，三種工作方式，可通過編程改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。8255A的引腳及內(nèi)部的結構如圖9-1和圖9-2所示。 一、引腳說明 由圖9-1，8255A共有4

9、0只引腳，采用雙列直插式封裝，各引腳功能如下：,圖9-1 8255A的引腳,D7D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。 CS ：片選信號線，低電平有效，表示本芯片被選中。 RD：讀出信號線，低電平有效，控制8255A中數(shù)據(jù)的讀出。 WR ：寫入信號線，低電平有效，控制向8255A數(shù)據(jù)的寫入。 Vcc：+5V電源。 PA7PA0：A口輸入/輸出線。 PB7PB0：B口輸入/輸出線。 PC7PC0：C口輸入/輸出線。 A1A0：地址線，用來選擇8255A內(nèi)部的4個端口。,二、內(nèi)部結構8255A內(nèi)部結構見圖9-2，其中包括三個并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，兩個工作方式,圖9-2 8

10、255A的內(nèi)部結構,的控制電路，一個讀/寫控制邏輯電路和8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。各部件的功能如下： 1.端口A、B、C 8255A有三個8位并行口，PA、PB和PC。都可以選擇作為輸入輸出工作模式，但在功能和結構上有些差異。 PA口：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 PB口：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。 PC口：一個8位的輸出鎖存器；一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。 通常PA口、PB口作為輸入輸出口，PC口可作為輸入輸出口，也可在軟件的控制下，分為兩個4位的端口，作為端口A、B選通方式操作時的狀態(tài)控制信號。,2. A組和B組控制電路 這是兩組根據(jù)CPU寫

11、入的“命令字”控制8255A工作方式的控制電路。A組控制PA口和PC口的上半部（PC7PC4）；B組控制PB口和PC口的下半部（PC3PC0）,并可根據(jù)“命令字”對端口的每一位實現(xiàn)按位“置位”或“復位”。 3. 數(shù)據(jù)總線緩沖器 數(shù)據(jù)總線緩沖器是一個三態(tài)雙向8位緩沖器，作為8255A與系統(tǒng)總線之間的接口，用來傳送數(shù)據(jù)、指令、控制命令以及外部狀態(tài)信息。,4讀/寫控制邏輯電路 讀/寫控制邏輯電路接收CPU發(fā)來的控制信號、RESET、地址信號A1A0等，然后根據(jù)控制信號的要求，將端口數(shù)據(jù)讀出，送往CPU或者將CPU送來的數(shù)據(jù)寫入端口。 各端口的工作狀態(tài)與控制信號的關系如表9-1所示。,表9-1 825

12、5A端口工作狀態(tài)選擇表,9.2.2 工作方式選擇控制字及C口置位/復位控制字,8255A有三種基本工作方式： (1) 方式0：基本輸入輸出； (2) 方式1：選通輸入輸出； (3) 方式2：雙向傳送（僅A口有此工作方式）。 1.工作方式選擇控制字 三種工作方式由寫入控制字寄存器的方式控制字來決定。方式控制字的格式如圖9-3所示。,圖9-3 8255A的方式控制字,三個端口中C口被分為兩個部分，上半部分隨A口稱為A組，下半部分隨B口稱為B組。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，寫入工作方式控制字95H，可將8255A編程為：A口方式0輸入，B口方式1輸出，C口的上

13、半部分（PC7PC4）輸出，C口的下半部分（PC3PC0）輸入。,C口按位置位/復位控制字C口8位中的任一位，可用一個寫入控制口的置位/復位控制字來對C口按位來置“1”或是清“0”。這個功能主要用于位控。C口按位置位/復位控制字的格式如圖,例如，07H寫入控制口，置“1”PC3；08H寫入控制口，PC4清零。,圖9-4 C口按位置位/復位控制字格式,9.2.3 8255A的三種工作方式,一、方式0 方式0是一種基本的輸入/輸出方式。在方式0下，MCS-51可對8255A進行I/O數(shù)據(jù)的無條件傳送，例如，讀入一組開關狀態(tài)，控制一組指示燈的亮、滅。實現(xiàn)這些操作，并不需要聯(lián)絡信號，外設的I/O數(shù)據(jù)可

14、在8255A的各端口得到鎖存和緩沖。因此，8255A的方式0稱為基本輸入/輸出方式。,方式0下，三個端口都可以由程序設置為輸入或輸出，不需要應答聯(lián)絡信號。方式0的基本功能為： （1）具有兩個8位端口（A、B）和兩個4位端口（C的上半部分和下半部分）。 （2）任一個端口都可以設定為輸入或輸出，各端口的輸入、輸出可構成16種組合。 （3）數(shù)據(jù)輸出時鎖存，輸入時不鎖存。,例如：假設8255A的控制字寄存器地址為FF7FH，則令A口和C口的高4位工作在方式0輸出， B口和C口的低4位工作于方式0輸入，這時，初始化程序為： MOV DPTR，#0FF7FH；控制字寄存器地址送DPTR MOV A，#83

15、H；方式控制字83H送A MOVX DPTR，A；83H送控制字寄存器 二、方式1 方式1是一種選通輸入/輸出工作方式。A口和B口皆可獨立地設置成這種工作方式。在方式1下，8255A的A口和B口通常用于I/O數(shù)據(jù)的的傳送，C口用作A口和B口的聯(lián)絡線，以實現(xiàn)中斷方式傳送I/O數(shù)據(jù)。,1方式1輸入當任一端口工作于方式1輸入時，控制聯(lián)絡信號如圖9-5所示，與IBF構成了一對應答聯(lián)絡信號，各個控制聯(lián)絡信號的功能如下：,圖9-5 方式1輸入聯(lián)絡信號,STB*：選通輸入，低電平有效。是由輸入外設送來的輸入信號。 IBF：輸入緩沖器滿，高電平有效。表示數(shù)據(jù)已送入8255A的輸入鎖存器，它由STB*信號的下降

16、沿置位，由信號的上升沿使其復位。 INTR：中斷請求信號，高電平有效。由8255A輸出，向CPU發(fā)中斷請求。 INTE A：A口中斷允許信號，由PC4的置位/復位來控制， INTE B：B口中斷允許信號，由PC2的置位/復位來控制。 下面以A口的方式1輸入為例，工作示意圖見圖9-6。下面介紹方式1輸入的工作過程以及各控制聯(lián)絡信號的功能。,圖9-6 A口方式1輸入的工作示意圖,2. 方式1輸出 當任何一個端口按照工作方式1輸出時，控制聯(lián)絡信號如圖9-7所示。OBF*與ACK*構成了一對應答聯(lián)絡信號，各控制聯(lián)絡信號的功能如下： OBF*：輸出緩沖器滿信號，低電平有效，是8255A給外設的聯(lián)絡信號，

17、表示CPU已經(jīng)把數(shù)據(jù)輸出給指定的端口，外設可以將數(shù)據(jù)取走。它由WR*信號的上升沿置 “0”（有效），由ACK*信號的下降沿置“1”（無效）。 圖9-7 方式1輸出聯(lián)絡信號 ACK*：外設的響應信號，低電平有效。指示CPU輸出給8255A的數(shù)據(jù)已經(jīng)由外設取走。 INTR*：中斷請求信號，高電平有效。表示該數(shù)據(jù)已被外設取走，請求CPU繼續(xù)輸出下一個數(shù)據(jù)。中斷請求的條件是ACK*、OBF*和INTE（中斷允許）為高電平，中斷請求信號由WR*的下降沿復位。 INTE A：由PC6的置位/復位來控制。 INTE B：由PC2的置位/復位來控制。,圖9-7 方式1輸出聯(lián)絡信號,三、方式2 只有A口才能設定

18、為方式2。圖9-9為方式2下的工作過程示意圖。在方式2下，PA7PA0為雙向I/O總線。當作為輸入總線使用時，PA7PA0受STBA*和IBFA控制，其工作過程和方式1輸入時相同；當作為輸出總線使用時，PA7PA0受OBFA*、ACKA*控制，其工作過程和方式1輸出時相同。,圖9-9 A口在方式2下的工作示意圖,一、硬件接口電路 如圖9-10所示是8031單片機擴展一片8255A的電路圖。圖中，74LS373是地址鎖 圖9-10 8031擴展一片8255A的電路 存器，P0.1、P0.0經(jīng)74LS373與8255A的地址線A1、A0連接； P0.7經(jīng)74LS373與片選端相連，其他地址線懸空；

19、8255A的控制線RD*、WR*直接接于8031的RD*和WR*端；數(shù)據(jù)總線P0.0P0.7與 8255A的數(shù)據(jù)線 D0D7連接。 二、8255A端口地址的確定 圖9-10中8255A只有3根線與地址線相接。片選端CS*、地址選擇端A1、A0。分別接于P0.7、P0.1、P0.0，其它地址線全懸空。顯然只要保證P0.7為低電平時，選中該8255A，若P0.1、P0.0再為“00”則選中8255A的A口，同理P0.1、P0.0為“01”、“10”、“11”分別選中B口、C口及控制口。,9.2.4 MCS-51單片機和8255A的接口,圖9-10 8031擴展一片8255A的電路,三、軟件編程 例

20、9-1 要求8255A工作在方式0，且A口作為輸入，B口、C口作為輸出，則程序如下： MOV A,#90H ；A口方式0輸入，B口、C口輸出的方式控制送A MOVDPTR,#0FF7FH；控制寄存器地址DPTR MOVXDPTR,A；方式控制字控制寄存器 MOVDPTR,#0FF7CH；A口地址DPTR MOVXA,DPTR；從A口讀數(shù)據(jù) MOVDPTR,#0FF7DH；B口地址DPTR MOVA,#DATA1；要輸出的數(shù)據(jù)DATA1A MOVXDPTR,A；將DATA1送B口輸出 MOVDPTR,#0FF7EH；C口地址DPTR MOVA,#DATA2；DATA2A MOVXDPTR,A；將

21、DATA2送C口輸出,9.3 MCS-51與可編程RAM/IO芯片8155H的接口,9.3.1 8155H芯片介紹 一、8155H的結構 8155H的邏輯結構如圖9-11所示。,圖 9-11 8155H的邏輯結構,二、8155H的引腳功能,1. AD7AD0（8條） 2. I/O總線（22條） 3. 控制總線（8條） RESET：復位輸入線 CE*和IO/M* RD*和WR* ALE：為允許地址輸入線，高電平有效。 TIMERIN和 TIMEROUT* 4. 電源線（2條） Vcc為+5V電源輸入線，Vss接地。,圖 9-12 8155H的引腳,三、CPU對8155H I/O端口的控制1. 8

22、155H各端口地址分配,28155H的命令字,38155H的狀態(tài)字,9.3.2 8155H的工作方式,一、存儲器方式 8155H的存儲器方式用于對片內(nèi)256字節(jié)RAM單元進行讀寫，若IO/=0和=0，則CPU可以通過AD7AD0上的地址選擇RAM存儲器中任一單元讀寫。 二、 I/O方式 8155H的I/O方式分為基本I/O和選通I/O兩種工作方式，如表9-3所示。在I/O方式下，8155H可選擇片內(nèi)任一寄存器讀寫，端口地址由A2、A1、A0三位決定（見表9-2）。,表9-3 C口在兩種I/O工作方式下各位定義,1基本I/O方式 2選通I/O方式 （1）選通I/O數(shù)據(jù)輸入 （2）選通I/O數(shù)據(jù)輸

23、出,圖9-15 選通數(shù)據(jù)I/O工作方式示意圖,三、內(nèi)部定時器/計數(shù)器及使用8155H中有一個14位的定時器/計數(shù)器，可用來定時或對外部事件計數(shù)，CPU可通過程序選擇計數(shù)長度和計數(shù)方式。計數(shù)長度和計數(shù)方式由寫入計數(shù)寄存器的控制字來確定，計數(shù)寄存器的格式如圖9-16所示。,圖9-16 8155H計數(shù)寄存器的格式,其中T13T0為計數(shù)器長度。M2、M1用來設置定時器的輸出方式。8155H定時器4種工作方式及相應的腳輸出波形如圖9-17所示。,圖9-17 8155H定時器方式及,輸出波形,9.3.3 MCS-51與8155H接口及軟件編程,一、MCS-51與8155H的硬件接口電路,圖9-19 815

24、5H和8031的接口電路,二、8155H的編程舉例 1初始化程序設計 例9-3 若A口定義為基本輸入方式，B口定義為基本輸入方式，對輸入脈沖進行24分頻（8155H的計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為4MHz），則8155H的I/O初始化程序如下： START:MOV DPTR, 7F04H；指針指向定時器低8位 MOV A,18H；計數(shù)初值16H送A, MOVX DPTR,A；計數(shù)初值低8位裝入定時器 INC DPTR ；指向定時器高8位 MOV A,40H；設定時器連續(xù)方波輸出 MOVX DPTR,A;計數(shù)初值高6位裝入定時器 MOV DPTR,7F00H；指向命令/狀態(tài)口 MOV A,#0C2H；設

25、定命令控制字 MOVX DPTR,A ；A口基本輸入方式，B口基本輸出方式,開啟啟定時器,9.4 用74LSTTL電路擴展并行I/O口,如圖9-20所示是一個利用74LS273和74LS244，將P0口擴展成簡單的輸入、輸 出口的電路。74LS273是8D鎖存器擴展輸出口，輸出端接8個LED發(fā)光二極管，以顯示8個按鈕開關狀態(tài)，某位低電平時二極管發(fā)光。74LS244是緩沖驅動器，擴展輸入口，它的8個輸入端分別接8個按鈕開關。74LS273和74LS244的工作受8031的P2.0、三條控制線控制。 電路的工作原理如下: 當P2.0=0,WR* =0(RD*)選中74LS273芯片，CPU通過P0

26、接口輸出數(shù)據(jù)鎖存到74LS273，74LS273的輸出端低電平位對應的LED發(fā)光二極管點亮；當P2.0=0,RD*=0(WR*=1)時選中74LS244,此時若無按鈕開關按下，輸入全為高電平，但某開關按下時則對應位輸入為“0”，74LS244的輸入端不全為“1”，其輸入狀態(tài)通過 P0接口數(shù)據(jù)線被讀入8031片內(nèi)。,圖9-20 74LSTTL I/O擴展舉例,輸出程序段： MOV A,#data ；數(shù)據(jù)A MOV DPTR,#0FEFFH ；I/O地址DPTR MOVX DPTR,A ；WR*為低電平，數(shù)據(jù)經(jīng)74LS273口輸出 輸入程序段： MOV DPTR,#0FEFFH ；I/O地址DPTR MOVX A,DPTR ；RD*為低電平，74LS244接口數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM 例9-6 編寫程序把按鈕開關狀態(tài)通過圖9-20中的發(fā)光二極管顯示出來。 程序： DDIS:MOV DPTR,#0FEFFH ；輸入口地址D