學(xué)習(xí)單片機(jī)6系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)

6.3.1概述

80C51單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O口，一般不能完全提供給用戶使用。因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常因I/O口不夠用，需要擴(kuò)展。由于80C51單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM與I/O是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部64KB字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM空間的一部分作為擴(kuò)展外部I/O口的地址空間，這樣單片機(jī)就可以像訪問(wèn)外部RAM一樣訪問(wèn)外部接口芯片，對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。6.3I/O口的擴(kuò)展6.3.1.1外部I/O口與外部RAM的選址方法由于外部I/O口與外部RAM是統(tǒng)一編址的，共占用16根地址線，P2口提供高8位地址，P0口提供低8位地址。為了惟一地選中外部某一存儲(chǔ)單元（I/O接口芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一部分），必須進(jìn)行兩種選擇，首先是選擇出該存儲(chǔ)器芯片（或I/O接口芯片），稱為片選，即選擇外圍設(shè)備（器件）地址；其次是選擇出該芯片的某一存儲(chǔ)單元（或I/O芯片的寄存器），稱為字選，即選擇外圍設(shè)備（器件）的子地址。常用的選址方法有線選法和全地址譯碼法。

（1）線選法。若系統(tǒng)只擴(kuò)展少量的外部RAM和I/O接口芯片一般都采用線選法。所謂線選法就是把單獨(dú)的地址線接到某一個(gè)外部芯片的片選端，只要這一地址線為低電平，就選中芯片。圖6-8是線選法的一個(gè)例子。圖中有的芯片除了片選地址外，還有片內(nèi)地址，而片內(nèi)地址是由低位地址線進(jìn)行譯碼選擇的，根據(jù)圖6-8的連接方法，各芯片的地址編碼如表6-1所示。圖6-8線選法連接圖

圖中，6116內(nèi)部有2KB字節(jié)，需占用11根地址線，故其片選線只能選擇P2.3以下的高位地址線。在片內(nèi)11位地址中，字選未用的位均設(shè)成1狀態(tài)，也可以設(shè)成0狀態(tài)。80C51單片機(jī)發(fā)出的16位地址碼中，既包含了字選控制，又包含了片選控制。而片選控制線任一時(shí)刻只能有一片芯片工作，否則將會(huì)出錯(cuò)。

（2）全地址譯碼法。對(duì)于RAM和I/O口容量較大的，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線時(shí)，可采用全地址譯碼法。全地址譯碼法采用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯出的信號(hào)作為片選信號(hào)，用低位地址線選擇芯片的片內(nèi)地址。圖6-9是全地址譯碼的例子，因譯碼器的輸入端只占用了三根最高位地址線，故剩余的13根地址線都可作為片內(nèi)地址線。片內(nèi)地址線字選未用的位設(shè)為1狀態(tài)。表6-2是采用全地址譯碼法時(shí)各芯片的地址編碼。圖6-9全地址譯碼法連接圖圖6-1074HC138引腳圖

圖6-10為74HC138的引腳圖。該芯片為“3-8”譯碼器，具有三個(gè)選擇輸入端，可組合成8種輸入狀態(tài)，輸出端有8個(gè)，分別對(duì)應(yīng)8種輸入狀態(tài)，見表6-3。74HC138還有3個(gè)使能端E3、、，必須同時(shí)輸入有效電平時(shí)，譯碼器才能工作，即輸入電平為100時(shí)，才選通譯碼器，否則譯碼器的輸出全無(wú)效。

（3）I/O口的虛擬譯碼。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，若需要大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而其他外圍設(shè)備（器件）較少時(shí)，可采用I/O口的虛擬譯碼，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器占用全部尋址空間，外圍設(shè)備（器件）采用I/O口線選通，不用譯碼輸出來(lái)給定設(shè)備（器件）地址。例如：圖6-11為用兩片62256擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展系統(tǒng)。圖中，P1.0口線作為外圍設(shè)備（器件）選通線。這樣62256（1）、62256（2）地址線P2.7和P2.7反相后選通，地址編碼分別為0000H～7FFFH、8000H～FFFFH。外設(shè)1號(hào)由P1.0I/O口選通，無(wú)器件地址，假設(shè)該外設(shè)1號(hào)內(nèi)部有4個(gè)子地址單元，那么它們要占據(jù)64KB尋址范圍中的4個(gè)地址單元，這4個(gè)地址單元會(huì)和62256（1）、62256（2）的地址相重疊。由于并行總線擴(kuò)展外圍設(shè)備（器件）都用地址指針DPTR間接尋址，可把外設(shè)1號(hào)的4個(gè)子地址規(guī)定在64KB尋址范圍中的4個(gè)最高地址，即FFFCH、FFFDH、FFFEH、FFFFH。訪問(wèn)62256（1）、62256（2）時(shí)，P1.0置“1”，并且不得使用4個(gè)最高地址單元；訪問(wèn)外設(shè)1號(hào)時(shí)，P1.0置“0”，只允許訪問(wèn)4個(gè)最高地址單元。圖6-11I/O口的虛擬譯碼6.3.1.2I/O口擴(kuò)展的方法

I/O口的擴(kuò)展方法很多，可以構(gòu)成各種不同的擴(kuò)展電路。本書將它們區(qū)分為3類：用TTL芯片的擴(kuò)展；用多功能芯片的擴(kuò)展；用串行口的擴(kuò)展。用串行口的方式0擴(kuò)展I/O口已在串行接口一節(jié)中介紹，本章不再贅述。6.3.2簡(jiǎn)單I/O口擴(kuò)展采用TTL電路、CMOS電路鎖存器或三態(tài)門作為I/O口擴(kuò)展芯片，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方法。這種I/O口一般都是通過(guò)P0口擴(kuò)展，具有電路簡(jiǎn)單、成本低、配置靈活的優(yōu)點(diǎn)。一般在擴(kuò)展單個(gè)8位輸出或輸入時(shí)十分方便?？梢宰鳛镮/O口擴(kuò)展芯片使用的芯片有373、377、244、245、273、367等。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸入、輸出的要求，選擇合適的擴(kuò)展芯片。

圖6-12為采用74HC244作擴(kuò)展輸入、74HC273作擴(kuò)展輸出簡(jiǎn)單I/O口擴(kuò)展電路。圖中輸入控制信號(hào)由P2.0和相或而得，輸出控制信號(hào)由P2.0和相或而得?？梢娸斎牒洼敵龅目诘刂肪鶠?FEFFH（P2.0=0），但分別由和信號(hào)控制，故輸入和輸出在邏輯上不會(huì)發(fā)生沖突。該擴(kuò)展電路如需實(shí)現(xiàn)的功能是按下任一按鍵時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)亮，則編程如下：

LOOP：MOVDPTR，#0FEFFH；指向擴(kuò)展I/O口地址

MOVXA，@DPTR

；向244讀入數(shù)據(jù)，檢測(cè)按鍵

MOVX@DPTR，A

；向273輸出數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)LEDSJAMLOOP；循環(huán)

圖6-12簡(jiǎn)單I/O口接口擴(kuò)展電路6.3.3用多功能芯片擴(kuò)展I/O口多功能芯片亦稱可編程接口芯片，這種可編程接口芯片利用編程的方法，可使一個(gè)接口芯片執(zhí)行多種不同的接口功能。因此使用起來(lái)十分方便，用它來(lái)連接單片機(jī)和外設(shè)時(shí)，不需要或只需要很少的外加硬件。目前各計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)了很多系列的可編程接口芯片，限于篇幅在此僅介紹在80C51單片機(jī)中常用的8255和8155兩種接口芯片。

6.3.3.18255可編程并行I/O擴(kuò)展接口

8255在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中被廣泛用作可編程并行I/O擴(kuò)展接口。（1）8255的結(jié)構(gòu)及功能。圖6-13為8255的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖。它由以下四部分組成：1）數(shù)據(jù)總線緩沖器。這是一個(gè)雙向三態(tài)的8位緩沖器，用于和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，以實(shí)現(xiàn)CPU（單片機(jī)）和8255傳遞信息。

2）并行I/O端口。并行I/O端口包括：A口、B口、C口。這三個(gè)8位I/O端口功能由編程確定，但每個(gè)口都有自己的特點(diǎn)。

A口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。它是最靈活的輸入輸出寄存器，可編程為8位輸入輸出或雙向寄存器。

B口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入/輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（不鎖存）。它可編程為8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入輸出。

C口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（不鎖存）。這個(gè)口在方式控制下，可分為兩個(gè)4位口使用。C口除了作為輸入、輸出口使用外，還可以作為A口、B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。

3）讀/寫控制邏輯。它用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳送。它接收來(lái)自CPU的地址信號(hào)和控制信號(hào)來(lái)控制各個(gè)口的工作狀態(tài)。其控制信號(hào)有：

：片選端，低電平有效。允許8255與CPU交換信息。：讀控制端，低電平有效。允許CPU從8255端口讀取數(shù)據(jù)或外設(shè)狀態(tài)信息。：寫控制端，低電平有效。允許CPU將數(shù)據(jù)、控制字寫入8255中。A1、A0：口地址選擇。它們和、信號(hào)相配合用來(lái)選擇端口及內(nèi)部控制寄存器，并控制信息傳送的方向，如表6-4所示。RESET：復(fù)位控制端，高電平有效。有效時(shí)，控制寄存器都復(fù)位清“0”，所有端口都被置成輸入方式。

4）A組和B組控制電路。這是兩組根據(jù)CPU的命令字控制8255工作方式的電路。每組控制電路從讀、寫控制邏輯接受各種命令，從內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接受控制字（即指令）并發(fā)出適當(dāng)?shù)拿畹较鄳?yīng)的端口。

A組控制電路控制A口及C口的高4位；B組控制電路控制B口及C口的低4位。

（2）8255的工作方式。8255有3種工作方式，即方式0、方式1、方式2，如圖6-14所示。

1）方式0（基本輸入/輸出方式）。這種工作方式不需要任何選通信號(hào)。A口、B口及C口的高4位和低4位都可以設(shè)定為輸入或輸出。作為輸出口時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)都被鎖存；作為輸入口時(shí)，輸入數(shù)據(jù)不鎖存。

2）方式1（選通輸入/輸出方式）。在這種工作方式下，A、B、C三個(gè)口分為兩組；A組包括A口和C口的高4位，A口可由編程設(shè)定為輸入口或輸出口，C口的高4位用來(lái)作為輸入/輸出操作的控制和同步信號(hào)；B組包括B口和C口的低4位，B口同樣由編程設(shè)定為輸入口或輸出口，C口的低4位用來(lái)作為輸入/輸出操作的控制和同步信號(hào)；A口和B口的輸入數(shù)據(jù)或輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。

3）方式2（雙向總線方式）。在這種工作方式下，A口為8位雙向總線口，C口的PC3～PC7用來(lái)作為輸入/輸出的同步控制信號(hào)。在這種情況下，B口和C口的PC0～PC2只能編程為方式0或方式1工作。

（3）8255的控制字。8255有兩種控制字，即控制A口、B口、C口的工作方式的方式控制字和控制C口各位置位/復(fù)位控制字。兩種控制字寫入的控制寄存器相同，只是用D7位來(lái)區(qū)分是哪一種控制字。D7=1時(shí)為工作方式控制字，D7=0時(shí)為C口置位/復(fù)位控制字。兩種控制字的格式和定義如圖6-15所示。

例如，當(dāng)將95H（10010101B）寫入控制寄存器后，8255被編程為A口方式0輸入，B口方式1輸出，PC7～PC4為輸出，PC3～PC0為輸入。例如，將07H（00000111B）寫入控制寄存器后，8255的PC3置“1”，寫入08H時(shí)PC4清“0”。（4）8255與80C51單片機(jī)的連接。8255與80C51單片機(jī)的連接電路如圖6-16所示。圖6-16中，8255的片選信號(hào)及端口地址選擇線A1、A0分別由80C51的P0.7、P0.1、P0.0經(jīng)74HC373鎖存后提供。80C51的、分別接8255的、；8255的D0～D7接80C51的P0.0～P0.7。根據(jù)表6-4該電路中8255的A口、B口、C口及控制口的地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。圖6-1680C51單片機(jī)與8255的連接

（5）初始化編程舉例。例6.1若要求8255的各端口為下列工作狀態(tài)：

A口：工作方式1輸入B口：工作方式0輸出C口高4位：工作方式1輸入C口低4位：工作方式0輸出根據(jù)圖6-16的連接方式，控制口的地址為FF7FH，而工作方式控制字應(yīng)為0B8H，故初始化編程如下：

MOVDPTR，#0FF7FH；控制字送入控制口

MOVA，＃0B8HMOVX@DPTR，A

例6.2若要求通過(guò)PC5向外輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)，編程如下：

MOVDPTR，#0FF7FH；控制字送入控制口

MOVA，＃0BHMOVX@DPTR，AACALLDELAYDECAMOVX@DPTR，A6.3.3.28155可編程并行I/O擴(kuò)展接口

8155芯片內(nèi)有256個(gè)字節(jié)RAM、2個(gè)8位、1個(gè)6位可編程I/O口和1個(gè)14位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，能方便地進(jìn)行I/O口擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的一種芯片。其組成框圖及引腳如圖6-17所示。（1）8155的結(jié)構(gòu)及引腳功能。8155為40腳雙列直插式封裝，其引腳功能及特點(diǎn)如下：

RESET：復(fù)位端，高電平有效。當(dāng)RESET加上5μs左右的正脈沖時(shí)，8155初始化復(fù)位，把A口、B口、C口均初始化成輸入方式。

AD0～AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。采用分時(shí)方法區(qū)分地址及數(shù)據(jù)信息。通常與80C51單片機(jī)的P0口相連。其他地址碼可以是8155中RAM單元地址或I/O口地址。地址信息由ALE的下降沿鎖存到8155的地址鎖存器中，與和信號(hào)配合輸入或輸出數(shù)據(jù)。圖6-178155引腳和結(jié)構(gòu)圖

：片選信號(hào)線，低電平有效。它與地址信息一起由ALE信號(hào)的下降沿鎖存到8155的鎖存器中。：RAM和I/O口選擇線。=0時(shí)，選中8155的片內(nèi)RAM，AD7～AD0為RAM地址（00H～FFH），若=1，選中8155的3個(gè)I/O口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時(shí)/計(jì)數(shù)器。：讀信號(hào)，低電平有效。=0，=0時(shí)，將8155的片內(nèi)RAM單元或I/O口的內(nèi)容傳送到AD7～AD0總線上。：寫信號(hào)，低電平有效。=0，=0時(shí)，將CPU輸出送到AD7～AD0總線上的地址信息寫到片內(nèi)RAM單元或I/O口中。ALE：地址鎖存允許信號(hào)。ALE信號(hào)的下降沿將AD7～AD0總線上的地址信息和及的狀態(tài)信息都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器中。

PA7～PA0：A口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來(lái)決定輸入/輸出。

PB7～PB0：B口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來(lái)決定輸入/輸出。

PC5～PC0：可用編程的方法來(lái)決定C口作為通用輸入/輸出線或作A口、B口數(shù)據(jù)傳送的控制應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線。

TIMERIN：定時(shí)/計(jì)數(shù)器脈沖輸入端。：定時(shí)/計(jì)數(shù)器矩形脈沖或方波輸出端（取決于工作方式）。：+5V電源。：接地端。

（2）8155的RAM和I/O口地址編碼。8155在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的，為16位地址數(shù)據(jù)，其高8位由片選線提供，低8位地址為片內(nèi)地址。當(dāng)=0時(shí)，單片機(jī)對(duì)8155RAM讀/寫，RAM低8位編址為00H～FFH；當(dāng)=1時(shí)，單片機(jī)對(duì)8155中的I/O進(jìn)行讀/寫，8155內(nèi)部I/O口及定時(shí)計(jì)數(shù)器的低8位如表6-6所示。

（3）8155的工作方式與基本操作。8155可作為I/O口、片外256字節(jié)RAM及定時(shí)器使用。

1）作為片外256字節(jié)RAM使用。在這種工作狀態(tài)使用時(shí)，將8155的引腳置低電平，此時(shí)8155只能作為片外RAM使用。與應(yīng)用系統(tǒng)中其他數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，使用MOVX讀/寫操作指令。

2）作為擴(kuò)展I/O使用。

8155作為擴(kuò)展I/O使用時(shí)，引腳必須置高電平。這時(shí)PA、PB、PC口的口地址的低8位分別為01H、02H、03H（設(shè)地址無(wú)關(guān)位為0時(shí)）。8155的I/O工作方式選擇是通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部寄存器送命令字來(lái)實(shí)現(xiàn)的，命令寄存器由8位鎖存器組成，只能寫入不能讀出。命令字每位定義如下：0位：定義A口。PA=0，A口為輸入方式；PA=1，A口為輸出方式。

1位：定義B口。PB=0，B口為輸入方式；PB=1，B口為輸出方式。

2位、3位：定義A、B、C口的工作方式，見表6-7。

4位：PA口中斷控制。IEA=1，允許中斷；IEA=0，禁止中斷。

5位：PB口中斷控制。IEB=1，允許中斷；IEB=0，禁止中斷。

6位、7位：規(guī)定定時(shí)器工作方式。

上表中狀態(tài)控制信號(hào)的下注腳A分別表示A口和B口。

INTR：A口或B口中斷請(qǐng)求輸出線，作為單片機(jī)的外部中斷源，高電平有效。當(dāng)8155的A口（或B口）緩沖器接收到設(shè)備打入的數(shù)據(jù)或設(shè)備從緩沖器取走數(shù)據(jù)時(shí)，中斷請(qǐng)求信號(hào)INTR升高（僅當(dāng)命令寄存器相應(yīng)中斷允許位為1時(shí)），向單片機(jī)請(qǐng)求中斷，單片機(jī)對(duì)8155的相應(yīng)I/O口進(jìn)行一次讀/寫操作，INTR變?yōu)榈碗娖健?/p>

BF：A口或B口緩沖器滿輸出線。緩沖器有數(shù)據(jù)時(shí)BF為高電平，否則為低電平。：A口或B口設(shè)備選通信號(hào)輸入線，低電平有效。

8155的狀態(tài)寄存器口地址和命令寄存器相同。與控制字相反，狀態(tài)字寄存器只能讀出不能寫入，它表示了I/O口作為輸入/輸出的狀態(tài)以及定時(shí)器工作狀態(tài)。其格式及定義如下：D0：A口中斷請(qǐng)求標(biāo)志。

D1：A口緩沖器滿/空標(biāo)志（輸入/輸出）。

D2：A口中斷允許。

D3：B口中斷請(qǐng)求標(biāo)志。

D4：B口緩沖器滿/空標(biāo)志（輸入/輸出）。

D5：B口中斷允許。

D6：定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷請(qǐng)求標(biāo)志。

D7：未使用。

3）作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器擴(kuò)展使用

8155內(nèi)部的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器是一個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器，可用來(lái)定時(shí)或?qū)ν獠渴录?jì)數(shù)。在TIMERIN端接外部脈沖時(shí)為計(jì)數(shù)方式，接系統(tǒng)脈沖時(shí)，為定時(shí)方式，計(jì)滿溢出時(shí)由端輸出短形脈沖或方波。定時(shí)/計(jì)數(shù)器低位字節(jié)寄存器的地址為×××××100B，高位字節(jié)寄存器的地址為×××××101B，其格式如下：TM2TM100是空操作，不影響計(jì)數(shù)器操作。

01是停止，停止計(jì)數(shù)器操作。

10也是停止，但定時(shí)器在到達(dá)置定的計(jì)數(shù)值后停止。

11是啟動(dòng)，置定時(shí)器輸出方式和計(jì)數(shù)值后啟動(dòng)定時(shí)器。如定時(shí)已在工作，則到原置定的計(jì)數(shù)值后，按新置定的定時(shí)器輸出方式和計(jì)數(shù)值重新啟動(dòng)定時(shí)器。

啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器前，首先應(yīng)裝入定時(shí)/計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度，因?yàn)槭?4位減法計(jì)數(shù)器，故計(jì)數(shù)長(zhǎng)度的值可在0002H～3FFFH之間選擇。其低8位值應(yīng)裝入定時(shí)/計(jì)數(shù)器低位字節(jié)，高6位值應(yīng)裝入定時(shí)/計(jì)數(shù)器高位字節(jié)，然后再裝入命令字并啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。定時(shí)/計(jì)數(shù)器高位字節(jié)中的高2位M2、M1用來(lái)定義輸出方式，如表6-8所示。

（4）80C51單片機(jī)與8155接口。8155可以直接與80C51單片機(jī)連接，不需任何外加邏輯電路。圖6-18為80C51與8155的基本連接方法。由于8155片內(nèi)有地址鎖存器，所以P0口輸出的低8位地址不需另加鎖存器，直接與8155的AD7～AD0相連，既作為低8位地址總線又作為數(shù)據(jù)總線，利用80C51的ALE信號(hào)的下降沿鎖存P0口送出的地址信息。片選信號(hào)和選擇信號(hào)分別接P2.7和P2.0。根據(jù)表6-6可知8155地址編碼為：