第9章-擴(kuò)展輸入輸出

1、第第9 9章章 AT89S51AT89S51單片機(jī)單片機(jī) 的的I/OI/O擴(kuò)展擴(kuò)展12 第第9章章 目錄目錄9.1 I/O接口擴(kuò)展概述接口擴(kuò)展概述 9.1.1 擴(kuò)展的I/O接口功能 9.1.2 I/O端口的編址 9.1.3 I/O數(shù)據(jù)的傳送方式 9.1.4 I/O接口電路9.2 AT89S51擴(kuò)展擴(kuò)展I/O接口芯片接口芯片82C55的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 9.2.1 82C55芯片簡(jiǎn)介 9.2.2 工作方式選擇控制字及端口PC置位/復(fù)位控制字 9.2.3 82C55的3種工作方式 9.2.4 AT89S51單片機(jī)與82C55的接口設(shè)計(jì)39.3 AT89S51擴(kuò)展擴(kuò)展I/O接口芯片接口芯片81C55的設(shè)計(jì)

2、的設(shè)計(jì) 9.3.1 81C55芯片介紹 9.3.2 81C55的工作方式 9.3.3 AT89S51單片機(jī)與81C55的接口設(shè)計(jì)及軟件編程9.4 利用利用74LSTTL電路擴(kuò)展并行電路擴(kuò)展并行I/O口口9.5 用用AT89S51單片機(jī)的串行口擴(kuò)展并行口單片機(jī)的串行口擴(kuò)展并行口 9.5.1 用74LS165擴(kuò)展并行輸入口 9.5.2 用74LS164擴(kuò)展并行輸出口9.6 用用I/O口控制的聲音報(bào)警接口口控制的聲音報(bào)警接口 9.6.1 蜂鳴音報(bào)警接口 9.6.2 音樂報(bào)警接口9.1 I/O接口擴(kuò)展概述接口擴(kuò)展概述擴(kuò)展I/O接口與擴(kuò)展存儲(chǔ)器一樣，都屬于系統(tǒng)擴(kuò)展系統(tǒng)擴(kuò)展的內(nèi)容。擴(kuò)展的I/O接口應(yīng)該具有

3、哪些功能？9.1.1 擴(kuò)展的擴(kuò)展的I/O接口功能接口功能擴(kuò)展的I/O接口電路主要應(yīng)滿足以下功能要求。1實(shí)現(xiàn)和不同外設(shè)的速度匹配實(shí)現(xiàn)和不同外設(shè)的速度匹配 大多數(shù)外設(shè)大多數(shù)外設(shè)的速度很慢速度很慢，無法和s量級(jí)的單片機(jī)速度量級(jí)的單片機(jī)速度相比。單片機(jī)在與外設(shè)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，只有在確認(rèn)外設(shè)已為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備做好準(zhǔn)備的前提下才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。外設(shè)是否準(zhǔn)備好，就需要I/O接口電路與外設(shè)之間傳送狀態(tài)傳送狀態(tài)信息信息，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外設(shè)之間的速度匹配。42單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)鎖存單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)鎖存與外設(shè)比，單片機(jī)的工作速度快，與外設(shè)比，單片機(jī)的工作速度快，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上保數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上保留的

4、時(shí)間十分短暫留的時(shí)間十分短暫，無法滿足慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)接收。所以，無法滿足慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)接收。所以在擴(kuò)展的在擴(kuò)展的I/O接口電路中接口電路中應(yīng)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器應(yīng)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，以保證輸，以保證輸出數(shù)據(jù)能出數(shù)據(jù)能為慢速的接收設(shè)備為慢速的接收設(shè)備所接收。所接收。3單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)三態(tài)緩沖單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)三態(tài)緩沖 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線上可能上可能“掛掛”有多個(gè)數(shù)據(jù)源有多個(gè)數(shù)據(jù)源，為使傳送數(shù)據(jù)，為使傳送數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)不發(fā)生沖突不發(fā)生沖突，只允許當(dāng)前時(shí)刻，只允許當(dāng)前時(shí)刻正在接收數(shù)據(jù)的正在接收數(shù)據(jù)的I/O接口接口使用數(shù)據(jù)總線使用數(shù)據(jù)總線，其余的其余的I/O接口接口應(yīng)處于隔離狀態(tài)應(yīng)處于隔離狀態(tài)，為此要，為此要求求I/O接

5、口電路能為數(shù)據(jù)輸入提供三態(tài)緩沖功能。接口電路能為數(shù)據(jù)輸入提供三態(tài)緩沖功能。59.1.2 I/O端口的編址端口的編址I/O接口和接口和I/O端口的概念端口的概念。 I/O接口：接口：是單片機(jī)與外設(shè)間的連接電路的總稱。 I/O端口端口: 簡(jiǎn)稱I/O口,是指I/O接口電路中具有單元地 址的寄存器或緩沖器。 一個(gè)I/O接口芯片可以有多個(gè)I/O端口，如 數(shù)據(jù)口，命令口，狀態(tài)口數(shù)據(jù)口，命令口，狀態(tài)口。 I/O端口的編址端口的編址: 每個(gè)I/O接口中的端口接口中的端口都要有地址都要有地址，以便AT89S51通 過讀寫端口來和外設(shè)交換信息和外設(shè)交換信息。常用的I/O端口編址端口編址有兩 種方式，獨(dú)立編址方式獨(dú)

6、立編址方式與統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式。61獨(dú)立編址獨(dú)立編址 I/O端口地址空間和存儲(chǔ)器地址空間分開編址。 優(yōu)點(diǎn): I/O地址空間和存儲(chǔ)器地址空間相互獨(dú)立，界限分明。 不足：不足：但要設(shè)置一套專門的讀寫I/O端口的指令和控制信號(hào)。2統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址 I/O端口和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):不需專門的I/O指令。 缺點(diǎn)缺點(diǎn):需要把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元地址與需要把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元地址與I/O端口的地址劃分清端口的地址劃分清 楚楚， 避免數(shù)據(jù)沖突。79.1.3 I/O數(shù)據(jù)的傳送方式數(shù)據(jù)的傳送方式為了實(shí)現(xiàn)和不同外設(shè)的速度匹配速度匹配，必須根據(jù)不同外設(shè)選擇恰當(dāng)?shù)腎/O數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式

7、。I/O數(shù)據(jù)傳送方式有：同步傳送、異步傳送和中斷傳送。1同步傳送同步傳送（無條件傳送）（無條件傳送） 當(dāng)外設(shè)速度和單片機(jī)的速度相比擬時(shí)，常采用同步傳 送方式，典型的同步傳送是單片機(jī)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 之間之間的數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送。2查詢傳送查詢傳送（有條件傳送、異步傳送） 通過查詢外設(shè)“準(zhǔn)備好”后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 優(yōu)點(diǎn)：通用性好，硬件連線和查詢程序簡(jiǎn)單，但工作效 率不高。83中斷傳送中斷傳送 為了提高提高單片機(jī)對(duì)外設(shè)的工作效率工作效率，通常采用中斷傳送方式，來實(shí)現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的傳送。 單片機(jī)只有在外設(shè)準(zhǔn)備好后，才中斷主程序的執(zhí)行只有在外設(shè)準(zhǔn)備好后，才中斷主程序的執(zhí)行，進(jìn)入與中

8、斷服務(wù)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 中斷服務(wù)完成后又返回主程序斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。采用中斷方式可大大提高工作效率提高工作效率。99.1.4 I/O接口電路接口電路常用的外圍I/O接口芯片：（1）82C55：可編程通用并行接口（3個(gè)8位I/O口）。（2）81C55：可編程的IO/RAM擴(kuò)展接口電路（2個(gè)8 位I/O口，1個(gè)6位I/O口，256RAM單元， 1個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器）。 接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)：可以和AT89S51直接連接，接口邏輯簡(jiǎn)單。109.3 AT89S51擴(kuò)展擴(kuò)展I/O接口芯片接口芯片81C55的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 81C55可直接與AT89S51相連，不需增加任何硬件邏輯電路。11256B的SRA

9、M,81C55存取時(shí)間400ns兩個(gè)可編程的兩個(gè)可編程的8位并行口位并行口PA和和PB可工作于可工作于基本基本和和選通選通兩種工作方式兩種工作方式一個(gè)可編程的一個(gè)可編程的6位并行口位并行口PC一個(gè)一個(gè)14位的減位的減1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器181C55的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)如圖圖9-11。 圖圖9-11 81C55的邏輯結(jié)構(gòu)9.3.1 81C55芯片介紹芯片介紹281C55的引腳功能的引腳功能40引腳，采用雙列直插式封裝，如圖圖9-12所示所示。 圖圖9-12 81C55的引腳圖的引腳圖13引腳說明：（1）AD7AD0，為地址/數(shù)據(jù)線，與AT89S51單片機(jī)的P0 口相連，用于分時(shí)傳送地址/數(shù)據(jù)信息。（2

10、）I/O總線（總線（22條）條） PA7PA0為通用I/O線，數(shù)據(jù)傳送方向傳送方向/工作方式工作方式由寫入 81C55 的命令字決定； PB7PB0為通用I/O線，用于傳送PB口上的外設(shè)數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)傳送方向傳送方向/工作方式工作方式也由寫入81C55的控制字決定。 PC5PC0為數(shù)據(jù)/控制線，共有6條，在通用I/O方式下 ，用作傳送I/O數(shù)據(jù)；在選通I/O方式下，用作傳送命令/ 狀態(tài)信息 。14（3）控制引腳）控制引腳nRESET：復(fù)位輸入線，在RESET線上輸入一個(gè)大于600ns寬的正脈沖時(shí)，81C55即可處于復(fù)位狀態(tài)，PA、PB、PC三口也定義為輸入方式。三口也定義為輸入方式。n 、IO/

11、 ： 為片選線，若 =0，單片機(jī)選中本81C55工作；否則，本81C55未被選中。 IO/ 為I/O端口或RAM存儲(chǔ)器選擇線，若IO/ =0，則單片機(jī)選中81C55片內(nèi)的RAM存儲(chǔ)器；若IO/ =1，則AT89S51單片機(jī)選中81C55的某一I/O端口。n 和和 ：當(dāng) =0且 =1時(shí)，81C55被讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)；當(dāng) =1且 = 0時(shí)，81C55被寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)。15CEMCECEMMRDWRRDWRRDWRMnALE：允許地址輸入線，高有效。81C55的ALE常和 AT89S51的ALE相連。nTIMERIN和和 ： TIMERIN是計(jì)數(shù)器脈沖輸入線，輸入的脈沖上跳沿上跳沿用于對(duì)81C55片內(nèi)的1

12、4位計(jì)數(shù)器減1。 為計(jì)數(shù)器輸出線計(jì)數(shù)器輸出線，當(dāng)14位計(jì)數(shù)器減為0時(shí)就可以在該引線上輸出脈沖或方波輸出脈沖或方波，輸出脈沖或方波與所選的計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。（4）電源線。VCC為+5V電源輸入線，VSS接地。16TIMEROUTTIMEROUT173CPU對(duì)對(duì)81C55 I/O端口的控制端口的控制 對(duì)對(duì)I/O口兩種工作方式的認(rèn)識(shí)：口兩種工作方式的認(rèn)識(shí)： 基本方式：基本方式： 輸出：輸出： 輸入：輸入：01010101地址數(shù)據(jù)控制01010101PA口01010101地址控制數(shù)據(jù)01010101PA口18選通方式：選通方式： 輸出：輸出： 輸入：輸入：01010101地址數(shù)據(jù)控制01010101

13、PA口PC口選通中斷滿提示01010101地址控制數(shù)據(jù)01010101PA口PC口選通中斷滿提示 （1）81C55各端口及各端口及RAM單元的地址分配單元的地址分配 內(nèi)部有7個(gè)端口個(gè)端口，需要3位地址位地址A2A0上的不同組合 代碼來加以區(qū)分。19IO/A7A6A5A4A3A2A1A0 選中的端口選中的端口01000控制/狀態(tài)寄存器01001PA口01010PB口01011PC口01100計(jì)數(shù)器低8位101計(jì)數(shù)器高8位CEM 圖圖9-13 81C55的控制字格式的控制字格式20（2）81C55的控制字的控制字21（3）81C55的狀態(tài)字的狀態(tài)字 狀態(tài)標(biāo)志寄存器，用來存入PA口和PB口的狀態(tài)標(biāo)志

14、。它的地址地址與控制寄存器地址相同與控制寄存器地址相同，只能對(duì)其讀出，不能寫入只能對(duì)其讀出，不能寫入。 圖圖9-14 81C55狀態(tài)字格式狀態(tài)字格式1存儲(chǔ)器方式存儲(chǔ)器方式存儲(chǔ)器方式用于對(duì)片內(nèi)256B RAM單元進(jìn)行讀/寫，若IO/ =0且 =0，則AT89S51可通過AD7AD0上的地址選擇RAM存儲(chǔ)器中任意單元讀/寫。2I/O方式方式 分基本基本I/O和選通選通I/O兩種方式。 在I/O方式下，81C55可選擇片內(nèi)任意端口寄存器讀/寫，端口地址由A2、A1、A0三位決定。（1）基本）基本I/O方式方式。 當(dāng)控制字的D3、D2為為00或或11時(shí)，時(shí)， PA、PB、PC用作 基本I/O方式。00

15、時(shí)時(shí)PC為輸入，為輸入，11時(shí)時(shí)PC為輸出。為輸出。 22MCE9.3.2 81C55的工作方式的工作方式 PA、PB口是輸入還是輸出由控制字的D0和D1位決定。例例: 若把02H的命令字送到81C55命令寄存器，則81C55的 PA口和PC口各位設(shè)定為輸入方式（D0=0,D2D3=00) ，PB口設(shè)定為輸出方式(D1=1)。 （2）選通）選通I/O方式。方式。 D3D2=01，僅PA口為選通方式（數(shù)據(jù)口），PC口低三位 做聯(lián)絡(luò)應(yīng)答信號(hào)線。 D3D2=10， PA口、PB口均為選通方式（數(shù)據(jù)口）， PC 口做聯(lián)絡(luò)應(yīng)答信號(hào)線。 PC口各位應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線的定義是在設(shè)計(jì)81C55時(shí)規(guī)定的，其 分配和命名

16、見表表9-3。2324ASTBASTBBSTB 選通I/O方式下PA口和PB口的輸入、輸出選擇依然是由控制字的D0和D1位決定。 選通選通I/O數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入 PA口和口和PB口口都可設(shè)定為本方式。若命令字中D0=0且D3、D2=01，則僅PA口設(shè)定為選通輸入工作方式；若命令字中若命令字中D1D0= 00且D3D2=10，則PA、PB口均設(shè)定為選通輸入工作方式。2526 選通選通I/O數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出PA口和口和PB口口都可設(shè)定為本方式。命令字命令字D0=1且且D3D2=01，則僅PA口設(shè)定為本工作方式；命令字命令字D1D0=11且D3D2=10，則PA、PB口均設(shè)定為本工作方式。3內(nèi)部計(jì)數(shù)

17、器內(nèi)部計(jì)數(shù)器/計(jì)數(shù)器及使用計(jì)數(shù)器及使用計(jì)數(shù)器的格式如圖：圖： 圖圖9-16 81C55計(jì)數(shù)器的格式計(jì)數(shù)器的格式其中，T13T0為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)位，通過對(duì)計(jì)數(shù)位的賦初值可設(shè)定計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度；M2、M1用來設(shè)置計(jì)數(shù)器的輸出方式。81C55計(jì)數(shù)器的4種工作方式種工作方式及對(duì)應(yīng)的引腳輸出波形引腳輸出波形如圖圖9-17所示。2728圖圖9-17 81C55計(jì)數(shù)器工作方式及計(jì)數(shù)器工作方式及 引腳輸出波形引腳輸出波形29計(jì)數(shù)初值與輸出波形的關(guān)系：計(jì)數(shù)初值與輸出波形的關(guān)系：方波輸出：方波輸出： 計(jì)數(shù)值的前一半輸出高電平，后一半輸出低電平； 注意：若寫入計(jì)數(shù)器的初值為初值為奇數(shù)奇數(shù)， 引腳的方波輸出方波輸出是

18、不對(duì)稱不對(duì)稱的。 例如例如：初值為初值為9時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出，在5個(gè)計(jì)數(shù)脈 沖周期內(nèi)為高電平高電平，4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期內(nèi)為 低電平。僅在一個(gè)計(jì)數(shù)周期的最后一個(gè)計(jì)數(shù)值時(shí)輸出寬度為 一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期的低電平。計(jì)數(shù)初值的設(shè)定及計(jì)數(shù)器啟動(dòng)：計(jì)數(shù)初值的設(shè)定及計(jì)數(shù)器啟動(dòng)： 任何時(shí)候任何時(shí)候都可設(shè)置計(jì)數(shù)器初值初值和工作方式，工作方式，將控制字寫入定時(shí)器寄存器TL、TH即可。 若計(jì)數(shù)器沒有計(jì)數(shù)若計(jì)數(shù)器沒有計(jì)數(shù)，則寫入啟動(dòng)命令（控制字高兩 位TM2TM1=11）,則計(jì)數(shù)器按設(shè)定開始計(jì)數(shù)； 若計(jì)數(shù)器正在計(jì)數(shù)若計(jì)數(shù)器正在計(jì)數(shù)，在寫入啟動(dòng)命令后，并且當(dāng)前計(jì)數(shù)完成后，計(jì)數(shù)器接收新計(jì)數(shù)長(zhǎng)度并按新的工作方式計(jì)數(shù)。注意：注意：8

19、1C55計(jì)數(shù)初值的范圍是計(jì)數(shù)初值的范圍是02H3FFFH.若將若將0、1 作為初值，則與將初值送作為初值，則與將初值送2的結(jié)果一樣。的結(jié)果一樣。 309.3.3 AT89S51單片機(jī)與單片機(jī)與81C55的接口設(shè)計(jì)及軟件編程的接口設(shè)計(jì)及軟件編程1硬件接口電路硬件接口電路直接連接不需外加器件。 31A15(P2.7) A8(P2.0) A7-A00000-FFH A14-A9111111A15(P2.7) A8(P2.0) A7-A30100000 A14-A9111111 A2-A00-532281C55的編程的編程 初始化程序設(shè)計(jì)。初始化程序設(shè)計(jì)?！纠?-6】若PA口定義為基本輸入方式，PB

20、口定義為基本輸出方式，對(duì)輸入脈沖進(jìn)行24分頻（81C55計(jì)數(shù)器的最高最高計(jì)數(shù)頻率計(jì)數(shù)頻率為4MHz），則81C55的初始化程序初始化程序如下：分析：分析：向計(jì)數(shù)器高八位寫40H,即TH的M2M1=01H,即 連續(xù)方波輸出方式； 向控制寄存器寫C2H,寄存器各位取值如下：331 1 0 0 0 0 1 0INC DPTR；指向計(jì)數(shù)器高；指向計(jì)數(shù)器高8位位MOV A，40H；計(jì)數(shù)器為連續(xù)方波輸出；計(jì)數(shù)器為連續(xù)方波輸出MOVX DPTR，A；計(jì)數(shù)初值高；計(jì)數(shù)初值高6位裝入計(jì)數(shù)器位裝入計(jì)數(shù)器MOV DPTR，7F00H；指向命令；指向命令/狀態(tài)口狀態(tài)口MOV A，#0C2H；設(shè)定命令控制字；設(shè)定命令控

21、制字MOVX DPTR，A；A口基本輸入，口基本輸入，B口基本輸出，開啟計(jì)數(shù)口基本輸出，開啟計(jì)數(shù) START： MOV DPTR，7F04H；DPTR指針指向計(jì)數(shù)器低指針指向計(jì)數(shù)器低8位位 MOV A，18H ；計(jì)數(shù)初值；計(jì)數(shù)初值24送送A MOVX DPTR，A；計(jì)數(shù)初值低；計(jì)數(shù)初值低8位裝入計(jì)數(shù)器位裝入計(jì)數(shù)器35【例例9-7】讀81C55的7EF1H單元。程序如下：程序如下： MOV DPTR，#7EF1H；DPTR指針指向 81C55的7EF1H單元 MOVX A，DPTR ；7EF1H單元內(nèi)容A【例例9-8】將立即數(shù)41H寫入81C55 RAM的7E20H單元。程序 如下： MOV A

22、，#41H ；立即數(shù)；立即數(shù)A MOV DPTR，#7E20H ；DPTR指針指向指針指向 ； 81C55的的7E20H單元單元 MOVX DPTR，A ；立即數(shù)；立即數(shù)41H送送81C55 ； RAM的的7E20H單元單元9.4 利用利用74LSTTL電路擴(kuò)展并行電路擴(kuò)展并行I/O口口36輸出輸出輸入輸入輸出端口地址：輸出端口地址：FEFFH（只寫（只寫)輸入端口地址：輸入端口地址：FEFFH（只讀（只讀)當(dāng)某條輸入口線的按鈕開關(guān)按下時(shí)，該輸入口線為低電為低電平平，讀入單片機(jī)后，其相應(yīng)位為“0”，然后再將口線的狀態(tài)經(jīng)74LS273輸出，某位低電平時(shí)二極管發(fā)光，從而顯示出按下的按鈕開關(guān)的位置。該電路的工作原理電路的工作原理如下。當(dāng)P2.0=0， =0（ =1）時(shí)，選中74LS244芯片，此時(shí)若無按鈕開關(guān)按下，輸入全為高電平。當(dāng)某開關(guān)按下時(shí)則對(duì)應(yīng)位輸入為“0”，74LS244的輸入端不全為“1”，其輸入狀態(tài)通過P0口數(shù)據(jù)線被讀入AT89S51片內(nèi)。37RDWR當(dāng)P2.0