代码收藏家 MCS-51 I/O口扩展原理及应用详解
I/O口扩展的概述
I/O（输入/输出）接口是MCS-51与外设交换数字信息的桥梁。
I/O扩展也属于系统扩展的一部分。
真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O线和P3口的某些位线。
I/O接口电路具有以下功能：
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实现和不同外设的速度匹配
大多数的外设的速度很慢，无法和us量级的单片机速度相比。
单片机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I/O操作。
想知道外设是否准备好，需I/O接口电路与外设之间传送状态信息。
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输出数据锁存
由于单片机工作速度快，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。I/O电路应具有数据锁存器，以保证接收设备接收。
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输入数据三态缓冲
单片机具有多个输入设备时，使得数据总线上面可能挂有多个数据源，为不发生冲突，只允许当前正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其余的应处于隔离状态。
I/O端口的编址
首先清楚I/O接口（interface）和I/O端口（port）的概念。
I/O端口：简称I/O口，指具有端口地址的寄存器或缓冲器。
I/O接口：是指单片机与外设间的I/O接口芯片。一个I/O接口芯片可以有多个I/O端口，
（1）数据口（2）命令口（3）状态口
I/O端口编址是给所有I/O接口中的寄存器编址。
I/O端口编址两种方式：独立编址与统一编址
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独立编址方式
I/O寄存器地址空间和存储器地址空间分开编址，但需专门读写I/O的指令和控制信号。
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统一编址方式（MCS51采用这种方式）
I/O寄存器与数据存储器单元同等对待，统一编址。不需要专门的I/O指令，直接使用访问数据存储器的指令进行I/O操作，简单、方便且功能强。
每一接口芯片中的一个功能寄存器（端口）的地址就相当于一个RAM单元。
I/O数据的几种传送方式
为实现和不同的外设的速度匹配，I/O接口必须根据不同的外设选择恰当的I/O数据传送方式。
I/O数据传送的几种传送方式是：
（1）同步传送（2）异步传送（3）中断传送
（1）同步传送（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，最典型的同步传送就是单片机和外部数据存储器之间的数据传送。
（2）查询传送方式（条件传送，异步式传送）
查询外设“准备好”后，再进行数据传送。
优点：通用性号，硬件连续和查询程序十分简单
缺点：效率不高
（3）中断传送
外设准备好后，发中断请求，单片机进入与外设数据传送的中断服务程序，进行数据的传送。中断服务完成后又返回主程序继续执行。工作效率高
I/O口概述小结
原因:MCS51单片机本身提供的口线不多（P1、P3）
方法：MCS51单片机将外扩I/O和外部数据存储器统一编址，用户可以把一部分外部数据存储器的空间（64k）作为I/O地址，通过MOVX指令完成对外扩口的输入输出。
实现：采用专门的外围接口芯片8155、8255等，采用一般的TTL芯片74LS377，74LS373等。
可编程I/O芯片8255A的扩展
引脚及结构介绍
-3个8位并行口PA、PB、PC，PC可分为高4位与低4位
-D0~D7数据端口
-A, B两组控制电路
-双向三态数据接口
-控制总线接口
-复位控制RESET，高电平有效
8255A的端口
A1和A0控制PA端口，结合RD端口表示读端口A的信息，用于读取PA0~PA7的信息到D0~D7.此时写端口WR为1.
表示读状态时，A1和A0是00时表示PA端口，A1和A0是01时表示PB端口，A1和A0是10时表示PC端口。
当A1和A0是11时，表示的是写控制寄存器。
825A的三种工作方式
-方式0——–基本输入输出
-方式1——–选通输入输出
-方式2——–双向传送（仅PA口）
8255A的工作方式由控制字选择
工作方式选择控制字（D7=1）
C口按位置位/复位控制字（D7=0）
8255A的工作方式0（基本I/O方式）
-两个8位端口（PA口和PB口）和两个4位端口（PC 的高4位和低4位）
-任一个端口都可以输入输出
-输出锁存而输入不锁存
-数据无条件传送，不需要状态端口
8255A的工作方式1（选通I/O方式）
-可用作1或2个选通的输入或输出口
-每个端口包括8位数据口和3条固定的控制线
-可选择1个端口工作于方式1，余下的工作在方式0
-可选择2个端口都工作于方式1
1.工作于方式1下的端口
选通输入/输出工作方式。A口和B口通常用于I/O数据传送，C口用作A口和B口的联络线，以中断或查询的方式传送数据。
（1）方式1输入
STB*与IBF构成了一对应答联络信号，联络信号的功能如下图：
STB*：选通输入，是由输入外设送来的输入信号。
IBF：输入缓冲器满，高电平有效。表示数据已送入8255A的输入锁存器，它由STB*信号的下降沿置位，由信号的上升沿使其复位。
INTR：中断请求信号，高电平有效。由8255A输出，向单片机发中断请求。
INTE A：A口中断允许，由PC4的置位/复位控制，
INTE B：B口中断允许，由PC2的置位/复位控制。
（2）方式1输出
OBF*与ACK*构成了一对应答联络信号，各信号的功能如下：
OBF*：输出缓冲器满信号，8255A给外设的联络信号，外设可以将数据取走。
ACK*：外设的响应信号，外设已将数据取走。
INTR*：中断请求信号。表示该数据已被外设取走，请求单片机继续输出下一个数据。
INTE A：中断允许，由PC6的置位/复位控制，
INTE B：中断允许，由PC2的置位/复位控制。
2.B口的方式1输出
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方式2
只有A口才能设定为方式2.
在方式2下，PA7~PA0位双向I/O总线。
当输入时，PA7~PA0受STBA*和IBFA控制，其工作过程和方式1输入时相同；
当输出时，PA7~PA0受OBFA*、ACKA*控制，其工作过程和方式1输出时相同。
方式2工作示意图
8255A接口应用举例1
8255A与8031接口电路
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硬件接口电路
8031扩展1片8255A的电路图。74LS373是地址锁存器，P0.1、P0.0经74L373与8255A的地址线A1、A0连接；P0.7经74LS373与片选端相连，其他地址线悬空。
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端口地址确定
8255A各端口寄存器的地址为：
A口： FF7CH
B口： FF7DH
C口： FF7EH
控制寄存器： FF7FH
可编程I/O芯片8155H的扩展
8155H芯片结构
-256字节RAM
-可编程8位并口PA、PB，6位并口PC
-一个14位减法定时器/计数器
-地址/数据总线（复用）
AD0~AD7
-控制总线
CE:片选信号线
IO/M:RAM存储器和I/O口选择线
RD：读选通信号线
WR：写选通信号
ALE：地址锁存允许端
RESET：芯片复位信号
-I/O线
PA0~PA7; PB0~PB7; PC0~PC5
TIMER IN : 定时器/计数器脉冲输入端
TIMER OUT：定时器/计数器输出，信号形式取决于工作方式
-电源
Vcc：+5V；Vss：地
IO/M=0时，对8155H的256个RAM寻址，RAM地址的低8位为00H~FFH
IO/M=1时，对8155H的I/O寻址。注意命令口、状态口使用同一地址，写入的是命令口，读出的是状态口。
可编程RAM/IO芯片8155H命令字
命令字功能：设置A, B, C口工作方式 设置是否允许中断 控制定时器/计数器的运行
反映芯片运行状态
-I/O口工作状态
-定时器/计数器计数是否结束
815中14位减法定时器/计数器格式
定时器/计数器的4种工作方式
8155的使用
8155作为输入输出口的使用，同8255；
对于8155内的RAM操作，等同于片外RAM，要明确地址，使用MOVX指令存取。
8155定时器的使用（最常用的是作为连续方波发生器）
-作为连续方波发生器使用时，在计数初值N为偶数时，N/2时间为高电平，N/2时间为低电平；当计数初值N为奇数时，（N+1）/2时间为高电平，（N-1）/2时间为低电平。
-最高计数脉冲的频率4MHZ。
采用74系列芯片进行简单的并口扩展电路
74LS377
功能说明：74LS377是8D锁存器。20个管脚，8个输入（D0~D7）、8个输出（Q0~Q7）、一个片选E、一个锁存端（CLK）上升沿有效，另外，还有电源、地。
74LS273作为输出口
功能说明：74LS273是8D锁存器，20个管脚，8个输入（D0~D7）、8个输出（Q0~Q7），一个清零端（CLR），一个锁存端（CLK），上升沿有效，另外还有电源、地。
74LS244作为输入口
功能说明：74LS244是8个三态线驱动器，20个管脚，2个4输入端（1A1~1A4）、（2A1~2A4）；2个4输出端（1Y1~1Y4）(2Y1~2Y4),两个控制端1G，2G（低电平有效，否则三态输出），另外，还有电源、地。
74LS165芯片引脚
P0~P7：并行数据输入口
SER：串行数据输入口，可进行多片165的级联
Q7：串行数据输出口
CLK1，CLK2：串行数据移位脉冲，只使用一个端口CLK1即可，令CLK2接0.
PL：并行数据输入有效信号，低电平时并行数据输入口的数据进入内部寄存器，变为高电平后才允许移位输出。
计数器芯片8253的扩展及应用
8253芯片介绍
芯片结构：三个16位减计数器，最高外频2.6MHz
芯片引脚功能介绍：
–D0~D7:8位数据线
–A0, A1：地址线
–CS：片选线
–WR：写信号线
–RD：读信号线
–OUT：计数器输出
–CLK：计数器输入
–GATE：门控位，控制计数器计数
计数器8253
