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目录硬知识单片机I/O扩展基础知识I/O接口电路的功能速度协调输出数据锁存数据总线隔离数据转换增强驱动能力单片机并行扩展总线并行扩展总线的组成80C51单片机并行扩展总线I/O编址技术可编程并行接口芯片82558255硬件逻辑结构口电路总线接口电路A组和B组控制电路中断控制电路8255工作方式方式0基本输入/输出方式方式1选通输入/输出方式方式2双向数据传送方式8255的编程内容工作方式命令C口位置位/复位命令8255A端口地址的确定上手编程仿真原理图确定相关地址测试源码8255A.c8255A.hmain.c仿真效果Windows 10 20H2 Proteus 8 Frofessional v8.9 SP2 Keil uVision V5.29.0.0 PK51 Prof.Developers Kit Version:9.60.0.0 硬知识 摘自《单片机基础》(第3版) —— 李广弟 朱月秀 冷祖祁编著
单片机I/O扩展基础知识 使用单片机本身的I/O (Input/Output)口可以实现一些简单的数据输入/输出传送例如开关状态的输入发光二极管的驱动输出等。但是对于复杂的I/O操作必须有接口电路的协调与控制才能进行。所以I/O扩展的主要内容是接口问题。
I/O接口电路的功能 在单片机系统中主要有两类数据传送操作一类是单片机和存储器之间的数据读/写操作另一类是单片机和外部设备之间的数据传送操作。由于存储器与单片机具有相同的电路和信号形式能相互兼容直接使用因此存储器与单片机之间采用同步定时工作方式它们之间只要在时序关系上能相互满足就可以正常工作。所以存储器与单片机之间的信号可直接连接不存在接口的问题。 而外部设备的速度十分复杂必须通过I/O接口电路实现。面对复杂的接口要求接口电路应具有如下基本功能。
速度协调 外部设备之间的速度差异很大对于慢速设备例如开关、继电器和机械传感器等每秒产生不了一个数据而对于高速采样设备每秒要传送成千上万个数据位。面对各种设备的速度差异单片机无法按固定的时序以同步方式进行I/O操作只能以异步方式进行也就是只有在确认设备已为数据传送做好准备的前提下才能进行I/O操作。为此需要接口电路产生状态信号或中断请求信号表明设备是否做好准备。即通过接口电路来进行单片机与外部设备之间的速度协调。
输出数据锁存 由于CPU的速度快数据信号在总线上维持的时间十分短暂以至于输出设备还来不及接收数据信号就消失了。为此需要有接口电路把输出数据先锁存起来待输出设备为接收数据做好准备后再把数据传送给它。这就是接口电路的数据锁存功能。
数据总线隔离 数据总线上可能连接着多个数据源输入设备和多个数据负载输出设备。但在任一时刻总线上只能进行一个源和一个负载之间的数据传送当一对源和负载的数据传送正在进行时所有其他不参与的设备在电性能上必须与总线隔开。如何使这些设备在需要时与数据总线接通而在不需要时又能及时断开这就是接口电路的总线隔离功能。 为了实现总线隔离需要有接口电路提供具有三态缓冲功能的三态缓冲电路。所谓三态是指低电平状态、高电平状态和高阻抗状态。实际上三态缓冲电路是具有三态输出的门电路所以也称三态门TSL当其输出为高或低电平时是对数据总线的驱动方式当其输出为高阻抗时是对总线的隔离方式也称浮动状态。这时缓冲器对数据总线不产生影响犹如缓冲器与总线隔开一样。驱动方式和隔离方式是可控的有专门的控制信号控制缓冲器的输出是驱动方式还是隔离方式。
数据转换 外部设备种类繁多不同设备之间的性能差异很大信号形式也多种多样。例如既有电压信号也有电流信号既有数字信号还有模拟信号等。而单片机只能使用数字信号如果外部设备所提供或需要的不是电压形式的数字信号就需要有接口电路进行转换其中包括模/数转换和数/模转换等。
增强驱动能力 通过接口电路为输出数据提供足够的驱动功率以保证外部设备能正常、平稳地工作。
单片机并行扩展总线 单片机系统扩展是以单片机芯片为核心进行的存储器扩展中包括程序存储器和数据存储器其余所有扩展内容统称为I/O扩展。单片机并行扩展系统结构如图6.1所示。 由扩展系统结构图可知扩展是通过系统总线进行的。所谓总线就是连接单片机各扩展部件的一组公共信号线是系统共享的通路通过总线把各扩展部件连接起来以进行数据、地址和控制信号的传送。
并行扩展总线的组成 并行扩展总线包括3个组成部分即地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线 在地址总线Address Bus简写AB上传送的是地址信号用于外扩展存储单元和I/O端口的寻址。地址总线是单向的因为地址信号只能从单片机向外传送。 一条地址线提供一位地址所以地址线数目决定可寻址存储单元的数目。例如n位地址可以产生2个连续地址编码可访问2n2^n2n个存储单元即寻址范围为2n2^n2n地址单元。80C51单片机外扩展空间为64 KB即2162^{16}216个地址单元因此地址总线有16位。
数据总线 数据总线Data Bus简写DB用于传送数据、状态、指令和命令。数据总线的位数应与单片机字长一致。例如80C51单片机是8位字长所以数据总线的位数也是8位。数据总线是双向的即可以进行两个方向读/写的数据传送。
控制总线 控制总线Control Bus简写CB是一组控制信号线其中既有单片机发出的也有外扩展部件发出的。虽然一个控制信号的传送是单向的但是由不同方向信号组合的控制总线则应表示为双向。
80C51单片机并行扩展总线 虽然系统扩展需要地址总线和数据总线但在单片机芯片上并没有为此提供专用的地址引脚和数据引脚实际扩展时都是用I/O口线来充当地址线和数据线。 80C51单片机并行扩展总线的构成如图6.2所示。 以P0口的8位口线充当低位地址线/数据线 低位地址线是指低8位地址A7 ~ A0。而数据线为D7 ~ D0。由于P0口一线两用既传送地址又传送数据所以要采用分时技术对它上面的地址和数据进行分离。 使用分时技术被分离出的是低8位地址。因为CPU对扩展系统的操作总是先送出地址然后再进行数据读/写操作所以应把首先出现的地址分离出来以便腾出总线供其后的数据传送使用。为保存分离出的地址需另外增加一个8位锁存器并以ALE作为锁存控制信号。因为从时序上看在CPU送出地址时ALE信号正好有效。为了与ALE信号相适应应选择高电平或下降沿选通的锁存器例如74LS373等。 低8位地址进入锁存器经另一途径提供给扩展系统。在其后的时间里P0口线即作为数据线使用进行数据传送。其实在P0口的电路逻辑中已考虑了这种需要其中的多路转接电路MUX以及地址/数据控制就是为此而设计的。
以P2口的口线作高位地址线 P2口只作为高位地址线使用。如果使用P2口全部8位口线再加上P0口提供的低8位地址就形成了完整的16位地址总线。使单片机外扩展的寻址范围达到64K单元。在实际应用中高位地址线是根据需要从P2口中引出需要用几位就引出几条口线。极端情况下若外扩展容量小于256个单元则不需要高位地址线。
控制信号 除地址线和数据线外系统扩展时还需要单片机提供一些控制信号线这就是扩展系统的控制总线。这些控制信号包括
I/O编址技术 为了对I/O接口电路中的寄存器端口进行读/写操作就需要对它们进行编址所以就出现了I/O编址问题。有两种I/O编址方式统一编址方式和独立编址方式。 在80C51单片机系统中采用统一编址方式。所谓统一编址方式就是把I/O接口中的寄存器与外扩展的数据存储器中的存储单元同等对待合在一起使用同一个 64 KB的外扩展地址空间。I/O和存储器的统一编址使得I/O口也得采用16位地址编址并使用数据存储器读/写指令进行I/O操作而不需要专门的I/O指令这不但方便而且也增强了I/O操作的功能。所以现在大部分单片机都采用统一编址方式。
可编程并行接口芯片8255
8255硬件逻辑结构 8255的全称是“可编程并行输入/输出接口芯片”是一个40引脚的双列直插式集成电路芯片其引脚排列如图7.1所示。 按功能可把8255的内部结构分为3个逻辑电路部分分别为口电路、总线接口电路和控制逻辑电路。如图7.2所示。
口电路 8255共有3个8位口其中A口和B口是单纯的数据口供数据输入/输出使用。而C口则既可以作数据口使用又可以作控制口使用主要用于实现A口和B口的控制功能。因此在使用中常把C口分为两部分即C口高位部分PC7 ~ PC4和C口低位部分PC3 ~ PCO。 数据传送中A口所需的控制信号由C口高位部分提供因此把A口和C口高位部分合在一起称为A组同理把B口和C口低位部分合在一起称为B组。
总线接口电路 总线接口电路用于实现8255和单片机芯片的信号连接。其中包括 ①数据总线缓冲器。数据总线缓冲器为8位双向三态缓冲器可直接与系统数据总线相连与I/O操作有关的数据、控制字和状态信息都是通过该缓冲器进行传送的。 ②读/写控制逻辑。读/写控制逻辑用于实现8255的硬件管理其内容包括芯片的选择口的寻址以及规定各端口和单片机之间的数据传送方向等。相关的控制信号有
A组和B组控制电路 A组控制和B组控制合在一起构成8255的控制电路其中包括一个8位控制寄存器用于存放编程命令和实现各口操作控制。
中断控制电路 8255逻辑电路中还包含一个中断控制电路在图中没有画出中断控制电路中对应A、B两个口各有一个中断触发器即触发器A和触发器B用于对中断的允许和禁止进行控制。置位为允许复位为禁止。对两个触发器的置位和复位控制是通过口C的有关位进行的具体划分是在输入方式下PC4对应触发器APC2对应触发器B在输出方式下PC6对应触发器APC2对应触发器B。
8255工作方式 8255共有3种工作方式方式0、方式1及方式2。
方式0基本输入/输出方式 方式0适用于无条件数据传送因为没有条件限制所以数据传送可随时进行。两个8位口A口和B口和两个4位口C口高位部分和C口低位部分都可以分别或同时设置为方式0。 在方式0下4个口可以有16种输入/输出组合分别为A输人B输入C高位输入C低位输入”、“A输入B输入C高位输入C低位输出”…A输入B输出C高位输出C低位输出”、“A输出B输出C高位输出C低位输出”等。
方式1选通输入/输出方式 方式1是选通输入/输出方式。8255的“选通”是通过信号的“问”与“答”以联络方式或称握手方式实现的。所以这种数据传送方式是有条件的适用于以查询或中断方式进行控制。 在方式1下A口和B口是数据口C口是控制口用于传送和保存数据口所需要的联络信号。这些联络信号如表7.1所列。 在该方式下A口和B0的联络信号都是3个。在具体应用中如果只有一个口按方式1使用需占用11位831183118311口线剩下的13位口线可按其他方式使用如果两个口都按方式1使用则只剩下2位口线可作它用。
方式2双向数据传送方式 方式2是在方式1的基础上加上双向传送功能但只有A口才能选择这种工作方式这时A口既能输入数据又能输出数据。如果把A口置于方式2下则B口只能工作于方式0。方式2适用于查询或中断方式的双向数据传送。在这种方式下需使用C口的5位口线作控制线。
8255的编程内容 8255是可编程接口芯片主要编程内容是两条控制命令即工作方式命令和C口位置位/复位命令。编程写入的命令保存在它的控制寄存器中。由于这两条命令是通过标志位最高位状态进行区别所以可按同一地址写入且不受先后顺序限制。
工作方式命令 工作方式命令用于设定各数据口的工作方式及数据传送方向。命令的最高位D7标志位其状态固定为1。命令格式如图7.3所示。 对工作方式命令有如下两点说明
A口有3种工作方式而B口只有两种工作方式在方式1和方式2下对C口的定义输入或输出不影响作为联络信号使用的C口各位的功能。
C口位置位/复位命令 在方式1和方式2下C口用于定义控制信号和状态信号因此c口的每一位都可以进行置位或复位。对C口各位的置位或复位是由位置位/复位命令进行的。8255的位置位/复位命令格式如图7.4所示。 其中D7为该命令的标志其状态固定为0。在使用时该命令每次只能对C口中的一位进行置位或复位。
8255A端口地址的确定 上手编程
仿真原理图 确定相关地址 由原理图可知当P25 P26 P27 0时8255A被74LS373选通且P00 与 A0相连P01与A1相连则有 8255A的地址 000xxxxx 000000 A1 A0没接的地址线设为1则4个端口地址为 PA口0x1F00 PB口0x1F01 PC口0x1F02 控制口0x1F03
测试源码
8255A.c
#include 8255A.hvoid Init_8255A(unsigned char A_Group_Mode, bit PA_Mode, bit PCH_Mode, bit B_Group_Mode, bit PB_Mode, bit PCL_Mode)
{A_Group_Mode (A_Group_Mode 3) 5;A_Group_Mode A_Group_Mode | 0x80 | (unsigned char)PA_Mode 4 | (unsigned char)PCH_Mode 3 | (unsigned char)B_Group_Mode 2 | (unsigned char)PB_Mode 1 | PCL_Mode;COM_8255A A_Group_Mode;
}8255A.h
#ifndef _8255A_H_
#define _8255A_H_#include absacc.h
#include reg52.h#define PA_8255A XBYTE[0x1F00] //A
#define PB_8255A XBYTE[0x1F01] //B
#define PC_8255A XBYTE[0x1F02] //C
#define COM_8255A XBYTE[0x1F03] //控制#define A_GROUP_MODE_0 0
#define A_GROUP_MODE_1 1
#define A_GROUP_MODE_2 2#define B_GROUP_MODE_0 0
#define B_GROUP_MODE_1 1#define INPUT_8255A 1
#define OUTPUT_8255A 0void Init_8255A(unsigned char A_Group_Mode, bit PA_Mode, bit PCH_Mode, bit B_Group_Mode, bit PB_Mode, bit PCL_Mode);#endifmain.c
将A组、B组均配置为模式0PA口输入PB口输出PB口跟随PA口的电平状态。
#include reg52.h
#include intrins.h
#include 8255A.hvoid Delay20ms() //12.000MHz
{unsigned char i, j;i 39;j 230;do{while (--j);} while (--i);
}void main(void)
{ Init_8255A(A_GROUP_MODE_0, INPUT_8255A, INPUT_8255A, B_GROUP_MODE_0, OUTPUT_8255A, OUTPUT_8255A);while(1){PB_8255A PA_8255A;Delay20ms();}
}仿真效果
仿真结果符合预期。
