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1、第9章 AT89S51单片机 的I/O扩展,1,单片机原理及应用第9章 AT89S51单片机接口的扩展,2,第9章 AT89S51单片机接口的扩展,9.1 I/O接口的扩展概述9.2 扩展I/O接口芯片81C55的设计9.3 利用74LSTTL电路扩展并行I/O口9.4 用AT89S51单片机的串行口扩展并行口,内容概要AT89S51有4个I/O口P0P3，真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O口线和P3口的某些位线。因此，大多需要外部I/O接口的扩展。介绍AT89S51与常用的可编程I/O接口芯片81C55的扩展接口设计。此外还介绍使用廉价的74LSTTL芯片扩展并行I/O接口以及用AT
2、89S51串行口来扩展并行I/O接口的设计。最后介绍使用I/O口控制的声音报警接口。,学习要求1、掌握TTL/CMOS简单I/O芯片的硬件扩展及编程2、熟悉8155芯片的结构、功能、控制字3、掌握8155芯片与89C51的接口及程序设计方法,9.1 I/O接口扩展概述扩展I/O接口与扩展存储器一样，都属于系统扩展的内容。扩展的I/O接口应该具有哪些功能？9.1.1 扩展的I/O接口功能扩展的I/O接口电路主要应满足以下功能要求。1实现和不同外设的速度匹配大多数外设的速度很慢，无法和s量级的单片机速度相比。单片机在与外设间进行数据传送时，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数据传送
3、。外设是否准备好，就需要I/O接口电路与外设之间传送状态信息，以实现单片机与外设之间的速度匹配。,5,2输出数据锁存与外设比，单片机的工作速度快，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。所以在扩展的I/O接口电路中应有输出数据锁存器，以保证输出数据能为慢速的接收设备所接收。3输入数据三态缓冲数据总线上可能“挂”有多个数据源，为使传送数据时不发生冲突，只允许当前时刻正在接收数据的I/O接口使用数据总线，其余的I/O接口应处于隔离状态，为此要求I/O接口电路能为数据输入提供三态缓冲功能。,6,9.1.2 I/O端口的编址介绍I/O端口编址之前，首先要弄清楚I/O接口和I/O
4、端口的概念。I/O接口是单片机与外设间的连接电路的总称。I/O端口（简称I/O口）是指I/O接口电路中具有单元地址的寄存器或缓冲器。一个I/O接口芯片可以有多个I/O端口，如数据口，命令口，状态口。当然，并不是所有的外设都一定需要3种端口齐全的I/O接口。每个I/O接口中的端口都要有地址，以便AT89S51通过读写端口来和外设交换信息。常用的I/O端口编址有两种方式，独立编址方式与统一编址方式。,7,1独立编址I/O端口地址空间和存储器地址空间分开编址。优点是I/O地址空间和存储器地址空间相互独立，界限分明。但需要设置一套专门的读写I/O端口的指令和控制信号。2统一编址把I/O端口与数据存储器
5、单元同等对待。I/O端口和外部数据存储器RAM统一编址。因此外部数据存储器空间也包括I/O端口在内。优点是不需专门的I/O指令。缺点是需要把数据存储器单元地址与I/O端口的地址划分清楚，避免数据冲突。,8,9.1.3 I/O数据的传送方式为了实现和不同外设的速度匹配，必须根据不同外设选择恰当的I/O数据传送方式。I/O数据传送方式有：同步传送、异步传送和中断传送。1同步传送同步传送又称无条件传送。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，典型的同步传送是单片机和外部数据存储器之间的数据传送。2查询传送又称有条件传送（也称异步式传送）。通过查询外设“准备好”后，再进行数据传送。优点是
6、通用性好，硬件连线和查询程序简单，但工作效率不高。,9,外部并行I/O口,3中断传送为了提高单片机对外设的工作效率，通常采用中断传送方式，来实现I/O数据的传送。单片机只有在外设准备好后，才中断主程序的执行，从而进入与外设数据传送的中断服务子程序，进行数据传送。中断服务完成后又返回主程序断点处继续执行。采用中断方式可大大提高工作效率。9.1.4 I/O接口电路常用的外围I/O接口芯片：（1）82C55：可编程通用并行接口（3个8位I/O口）。,10,（2）81C55：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，256RAM单元，1个14位的减法计数器）。都可以和AT8
7、9S51直接连接，接口逻辑简单。,11,9.2 扩展I/O接口芯片81C55的设计包含256B的RAM存储器（静态），RAM的存取时间为400ns，可编程的两个8位并行口PA和PB，可编程的一个6位并行口PC，以及一个14位的减1计数器。PA口和PB口可工作于基本输入/输出方式（同82C55的方式0）或选通输入/输出方式（同82C55的方式1）。81C55可直接与AT89S51相连，不需增加任何硬件逻辑电路。由于81C55片内集成有I/O口、RAM和减1计数器，因而是被选用的I/O接口芯片之一。9.2.1 81C55芯片介绍介绍81C55芯片基本特性。,12,8155,181C55的结构逻辑结
8、构如图9-1。 图9-1 81C55的逻辑结构,281C55的引脚功能40引脚，采用双列直插式封装，如图9-2所示。 图9-2 81C55的引脚图,14,各引脚功能如下。（1）AD7AD0，为地址/数据线，与AT89S51单片机的P0口相连，用于分时传送地址/数据信息。（2）I/O总线（22条）。PA7PA0为通用I/O线，数据传送方向由写入81C55的命令字决定（图9-3）；PB7PB0为通用I/O线，用于传送PB口上的外设数据，数据传送方向也由写入81C55的控制字决定。PC5PC0为数据/控制线，共有6条，在通用I/O方式下，用作传送I/O数据；在选通I/O方式下，用作传送命令/状态信息
9、（见表9-3）。,15,（3）控制引脚RESET：复位输入线，在RESET线上输入一个大于600ns宽的正脉冲时，81C55即可处于复位状态，PA、PB、PC三口也定义为输入方式。 、IO/ ： 为片选线，若 =0，则AT89S51单片机选中本81C55工作；否则，本81C55未被选中。IO/ 为I/O端口或RAM存储器选择线，若IO/ =0，则AT89S51单片机选中81C55片内的RAM存储器；若IO/ =1，则AT89S51单片机选中81C55的某一I/O端口。 和 ：当 =0且 =1时，81C55被读出数据状态；当 =1且 = 0时，81C55被写入数据状态。,16,ALE：允许地址输
10、入线，高有效。若ALE=1，则81C55允许AT89S51通过AD7AD0线发出地址锁存到81C55片内“地址锁存器”；否则，81C55地址锁存器处于封锁状态。81C55的ALE常和AT89S51的ALE相连。TIMERIN和 ：TIMERIN是计数器脉冲输入线，输入的脉冲上跳沿用于对81C55片内的14位计数器减1。 为计数器输出线，当14位计数器减为0时就可以在该引线上输出脉冲或方波，输出脉冲或方波与所选的计数器工作方式有关。（4）电源线。VCC为+5V电源输入线，VSS接地。,17,3CPU对81C55 I/O端口的控制3个端口数据传送方式是由控制字和状态字来决定的。（1）81C55各端
11、口地址分配内部有7个端口，需要3位地址A2A0上的不同组合代码来加以区分。表9-2为端口地址分配以及RAM单元的选择。（2）81C55的控制字有一个控制寄存器和一个状态标志寄存器。工作方式由写入控制寄存器的控制字来确定。控制字格式如图9-13所示。控制寄存器只能写入不能读出。,18,图9-3 81C55的控制字格式,19,控制寄存器中的D3D0位用来设置PA口、PB口和PC口的工作方式。D4、D5位用来确定A口、B口以选通输入/输出方式工作时是否允许中断请求。D6、D7位用来设置计数器的操作。（3）81C55的状态字有一个状态标志寄存器，用来存入PA口和PB口的状态标志。它的地址与控制寄存器地
12、址相同，只能对其读出，不能写入。格式如图9-4所示。,下面仅对状态字中的D6位给出说明。D6为计数器中断状态标志位TIMER。若计数器正在计数或开始计数前，则D6=0；若计数器的计数长度已计满，即计数器减为0，则D6=1，可作为计数器中断请求标志。在硬件复位或对它读出后又恢复为0。9.2.2 81C55的工作方式下面介绍81C55的两种工作方式。,21,图9-4 81C55状态字格式,22,1存储器方式存储器方式用于对片内256B RAM单元进行读/写，若IO/ =0且 =0，则AT89S51可通过AD7AD0上的地址选择RAM存储器中任意单元读/写。2I/O方式分基本I/O和选通I/O两种方
13、式，见表9-3。在I/O方式下，81C55可选择片内任意端口寄存器读/写，端口地址由A2、A1、A0三位决定（见表9-2）。（1）基本I/O方式。本方式下，PA、PB、PC三口用作输入/输出，由图9-13的命令字决定。其中，PA、PB两口的输入/输出由D1、D0决定，PC口各位由D3、D2状态决,23,定。例如，若把02H的命令字送到81C55命令寄存器，则81C55的PA口和PC口各位设定为输入方式，PB口设定为输出方式。 （2）选通I/O方式。由命令字中D3、D2状态设定，PA口和PB口都可独立工作于这种方式。此时，PA口和PB口用作数据口，PC口用作A口和B口的应答联络控制。PC口各位应
14、答联络线的定义是在设计81C55时规定的，其分配和命名见表9-3。,24,25,选通I/O方式又可分为选通I/O数据输入和选通I/O数据输出两种方式。 选通I/O数据输入 PA口和PB口都可设定为本方式。若命令字中D0=0且D3、D2=10，则PA口设定为本工作方式；若命令字中D1=0且,D3、D2=11，则PB口设定为本工作方式。本工作方式和82C55的选通I/O输入情况类似，如图9-5（a）所示。 选通I/O数据输出PA口和PB口都可设定为本方式。若命令字D0=1且D3、D2=10，则PA口设定为本工作方式；若命令字D1=1且D3、D2=11，则PB口设定为本工作方式。选通I/O数据的输出
15、过程也和82C55的选通I/O输出情况类似，图9-5（b）所示为选通I/O数据输出的示意图。,26,图9-5 选通I/O方式示意图,27,3内部计数器/计数器及使用14位的计数器/计数器，CPU可通过软件来选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由写入计数器的控制字来确定。计数器的格式如图9-6所示。 图9-6 81C55计数器的格式其中，T13T0为计数器的计数位；M2、M1用来设置计数器的输出方式。81C55计数器的4种工作方式及对应的 引脚输出波形如图9-7所示。,28,29,图9-7 81C55计数器工作方式及 引脚输出波形,任何时候都可设置计数器长度和工作方式，将控制字写入控制寄存
16、器。如果计数器正在计数，只有在写入启动命令后，计数器才接收新计数长度并按新的工作方式计数。若写入计数器的初值为奇数， 引脚的方波输出是不对称的。例如，初值为9时，计数器的输出，在5个计数脉冲周期内为高电平，4个计数脉冲周期内为低电平，如图9-8所示。 图9-8 计数长度为奇数时的不对称方波输出（长度为9）,30,注意，81C55的计数器初值不是从0开始，从2开始。这是因为，如果选择计数器的输出为方波形式（无论是单方波还是连续方波），则规定是从启动计数开始，前一半计数输出为高电平，后一半计数输出为低电平。显然，如果计数初值是0或1，就无法产生这种方波。因此81C55计数器的写入初值范围是3FFF
17、H2H。如果硬要将0或1作为初值写入，其效果将与送入初值2的情况一样。81C55复位后使计数器停止计数。,31,9.2.3 AT89S51单片机与81C55的接口设计及软件编程,1硬件接口电路接口如图9-9所示。直接连接不需外加器件。,33,图9-9 AT89S51单片机与81C55的接口电路,在图9-9中，单片机P0口输出的低8位地址不需要另外加锁存器（81C55片内集成有地址锁存器），而直接与81C55的AD0AD7相连，既可作为低8位地址总线，又可作为数据总线，地址锁存控制直接用AT89S51发出的ALE信号。81C55的 端接P2.7，IO/ 端与P2.0相连。当P2.7=0时，若P2
18、.0=0，则访问81C55的RAM单元。由此可得到图9-19中81C55的各端口以及RAM单元的地址编码，见表9-4。,34,35,281C55的编程根据图9-9接口，介绍对81C55的具体操作。初始化程序设计【例9-6】若PA口定义为基本输入方式，PB口定义为基本输出方式，对输入脉冲进行24分频（81C55计数器的最高计数频率为4MHz），则81C55的初始化程序如下START：MOV DPTR，7F04H；DPTR指针指向计数器低8位MOV A，18H ；计数初值24送AMOVX DPTR，A；计数初值低8位装入计数器INC DPTR；指向计数器高8位,36,MOV A，40H；计数器为连
19、续方波输出MOVX DPTR，A；计数初值高6位装入计数器MOV DPTR，7F00H；指向命令/状态口MOV A，#0C2H；设定命令控制字MOVX DPTR，A；A口基本输入，B口基本输出，开启计数【例9-7】读81C55的7EF1H单元。程序如下：MOVDPTR，#7EF1H；DPTR指针指向81C55的7EF1H单元MOVX A，DPTR；7EF1H单元内容A,37,【例9-8】将立即数41H写入81C55 RAM的7E20H单元。程序如下：MOV A，#41H；立即数AMOV DPTR，#7E20H；DPTR指针指向81C55的7E20H单元MOVX DPTR，A；立即数41H送81
20、C55 RAM的7E20H单元81C55既有RAM又有I/O口，此外，还有计数器。在同时需要扩展RAM 、I/O和计数器的系统中，选用81C55特别经济，是单片机系统中常用的外围接口芯片之一。,38,9.3 利用74LSTTL电路扩展并行I/O口在单片机应用中，有些场合需要降低成本、缩小体积，这时采用TTL电路、CMOS电路锁存器或三态门电路也可构成各种类型的简单输入/输出口。如图9-10所示为一个利用74LS244和74LS273芯片，将P0口扩展成简单的输入/输出口的电路。74LS244作为扩展输入口，8个输入端分别接8个按钮开关。74LS273是8D锁存器扩展输出口，接8个LED发光二极
21、管，以显示8个按钮开关状态。,39,图9-10 74LSTTL I/O扩展举例,当某条输入口线的按钮开关按下时，该输入口线为低电平，读入单片机后，其相应位为“0”，然后再将口线的状态经74LS273输出，某位低电平时二极管发光，从而显示出按下的按钮开关的位置。该电路的工作原理如下。当P2.0=0， =0（ =1）时，选中74LS244芯片，此时若无按钮开关按下，输入全为高电平。当某开关按下时则对应位输入为“0”，74LS244的输入端不全为“1”，其输入状态通过P0口数据线被读入AT89S51片内。,41,当P2.0=0， =1 （ =0）时，选中74LS273芯片，CPU通过P0口输出数据锁
22、存到74LS273，74LS273的输出端低电平位对应的LED发光二极管点亮。总之，在图9-10中只要保证P2.0为“0”，其他地址位或“0”或“1”即可。如地址用FEFFH（无效位全为“1”），或用0000H（无效位全为“0”）都可。,42,输入程序段：MOV DPTR，#0FEFFH；I/O地址DPTRMOVX A，DPTR ； 为低，74LS244数据被读入A中输出程序段：MOV A，#data；数据#dataAMOV DPTR，#0FEFFH；I/O地址#0FEFFHDPTRMOVXDPTR，A； 为低，数据经74LS273口输出,43,【例9-9】编写程序把按钮开关状态通过图9-20
23、的发光二极管显示出来。程序如下：DDIS：MOV DPTR，#0FEFFH ；输入口地址DPTRLP：MOVX A，DPTR；按钮开关状态读入A中 MOVX DPTR，A；A中数据送显示输出口 SJMP LP ；反复连续执行由程序可看出，对于扩展接口的输入/输出就像从外部RAM读/写数据一样方便。图9-10仅仅扩展了两片，如果仍不够用，还可扩展多片74LS244、74LS273之类的芯片。但作为输入口时，一定要求有三态功能，否则将影响总线的正常工作。,44,9.4 用AT89S51单片机的串行口扩展并行口串口的方式0用于I/O扩展。方式0为同步移位寄存器工作方式，波特率为fosc/12。数据由
24、RXD端（P3.0）输入，同步移位时钟由TXD端（P3.1）输出。9.4.1 用74LS165扩展并行输入口图9-11串口扩展两个8位并行输入口。74LS165是8位并行输入串行输出的寄存器。当74LS165的S/ 端由高到低跳变，并行输入端的数据被置入寄存器；当S/ =1，且时钟禁止端（15脚）为低时，允许TXD（P3.1）移位时钟输入，在该脉冲作用下，数据由右向左方向移动。,45,串口扩展,TXD与所有74LS165的CP相连；RXD与74LS165的串行输出端QH相连；P1.0与 S/ 相连，控制74LS165的串行移位或并行输入；15脚接地，允许时钟输入。当扩展多个8位输入口时，相邻两
25、芯片的首尾（QH与SIN）相连。 图9-11 利用74LS165扩展并行输入口,46,【例9-10】从16位扩展口读入5组数据（每组2B），把它们转存到内部RAM 20H开始的单元。 MOVR7，#05H；设置读入组数 MOV R0，#20H；设置内部RAM数据区首址START：CLR P1.0；并行置入数据，S/ =0 SETB P1.0；允许串行移位，S/ =1 MOV R2，#02H；设每组字节数， 即74LS165的个数RXDATA：MOV SCON，#00010000H；设置串口方式0，允许；接收，启动接收过程,47,WAIT：JNB RI，WAIT；未接收完一帧，循环等待 CLR
26、RI；RI标志清“0”，准备下次接收 MOV A，SBUF；读入数据 MOV R0，A；送至RAM缓冲区 INC R0；指向下一个地址 DJNZ R2，RXDATA；未读完一组数据， 继续 DJNZ R7，START；5组数据未读完重新并行置入 ；对数据进行处理,48,串行接收过程采用查询等待的方式，如必要，可改中断方式。9.4.2 用74LS164扩展并行输出口图9-12为串口外接两片74LS164（8位串入并出移位寄存器）扩展两个8位并行输出口的接口电路。 图9-12 利用74LS164扩展并行输出口,49,当串口工作在方式0的发送，串行数据由P3.0（RXD）送出，移位时钟由P3.1（T
27、XD）送出。注意，由于74LS164无并行输出控制端，在串行输入中，其输出端的状态会不断变化，故某些场合，在74LS164输出端应加接输出三态门控制，以便保证串行输入结束后再输出数据。【例9-11】将内部RAM单元30H、31H的内容经串行口由74LS164并行输出的子程序。START：MOVR7，#02H；设置要发送的字节个数 MOV R0，#30H；设置地址指针 MOV SCON，#00H；设置串行口为方式0,50,SEND：MOV A，R0 MOV SBUF，A；启动串行口发送过程WAIT：JNB TI，WAIT；一帧未发完，等待 CLR TI INC R0；取下一个数 DJNZ R7，SEND ；未发完，继续，从子程序返回 RET,51,小结及习题：,1、在简单应用系统中，一般采用74系列TTL电路或4000系列CMOS电路芯片，将并行数据输入或输出，一般的TTL芯片的带负载能力强。 2、对于8155的使用范围要多加熟悉 3、8155的工作方式的使用场合,