第9章

AT89S51單片機

的I/O擴展1內容概要AT89S51本身有4個通用的并行I/O口P0~P3，但是真正用作通用I/O口線的只有P1口和P3口的某些位線。有時，AT89S51單片機需要進行外部I/O接口的擴展。介紹AT89S51擴展常用可編程I/O接口芯片82C55的設計。此外還介紹使用廉價的74LSTTL芯片擴展并行I/O接口以及使用AT89S51串行口來擴展并行I/O口的設計。29.1I/O接口擴展概述由第8章，擴展I/O接口與擴展存儲器一樣，都屬于系統擴展的內容。首先明確I/O接口具有的功能。9.1.1擴展的I/O接口功能擴展的I/O接口電路應滿足以下功能要求。1．實現和不同外設的速度匹配大多數外設速度慢，無法和μs量級的單片機速度相比。單片機只有在確認外設已為數據傳送做好準備的前提下才能進行數據傳送。而要知道外設是否準備好，就需要I/O接口電路與外設之間傳送狀態信息，以實現單片機與外設之間的速度匹配。32．輸出數據鎖存與外設相比，由于單片機的工作速度快，數據在數據總線上保留的時間十分短暫，無法滿足慢速外設的數據接收。所以在擴展的I/O接口電路中應有輸出數據鎖存器，以保證輸出數據能為慢速的接收設備所接收。3．輸入數據三態緩沖外設向單片機輸入數據時，要經過數據總線，但數據總線上可能“掛”有多個數據源，為使傳送數據時不發生沖突，只允許當前時刻正在接收數據的I/O接口使用數據總線，其余的I/O接口應處于隔離狀態，為此要求I/O接口電路能為數據輸入提供三態緩沖功能。49.1.2I/O端口的編址首先弄清楚I/O接口（Interface）和I/O端口（Port）的概念。I/O接口是單片機與外設間的連接電路的總稱。I/O端口（簡稱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I/O接口芯片可以有多個I/O端口，傳送數據的稱為數據口，傳送命令的稱為命令口，傳送狀態的稱為狀態口。當然，并不是所有的外設都一定需要3種端口齊全的I/O接口。每個I/O接口中的端口都要有地址，以便AT89S51通過讀寫端口來和外設交換信息。常用I/O端口編址有兩種方式，一種是獨立編址方式，另一種是統一編址方式。

51．獨立編址I/O端口地址空間和存儲器地址空間分開編址。優點I/O地址空間和存儲器地址空間相互獨立，界限分明。但需要設置一套專門的讀寫I/O端口的指令和控制信號。2．統一編址把I/O端口與數據存儲器單元同等對待。I/O端口和外部數據存儲器RAM統一編址。因此外部數據存儲器空間也包括I/O端口在內。優點是不需專門的I/O指令。缺點但是需要把數據存儲器單元地址與I/O端口的地址劃分清楚，避免數據沖突。69.1.3I/O數據的傳送方式為實現和不同外設的速度匹配，須根據不同外設選擇恰當的I/O數據傳送方式。I/O數據傳送方式有：同步傳送、異步傳送和中斷傳送。1．同步傳送又稱無條件傳送。當外設速度和單片機的速度相比擬時，常采用同步傳送方式，典型的同步傳送是單片機和外部數據存儲器之間的數據傳送。2．查詢傳送又稱有條件傳送（也稱異步式傳送）。通過查詢外設“準備好”后，再進行數據傳送。優點是通用性好，硬件連線和查詢程序簡單，但工作效率不高。73．中斷傳送為提高單片機對外設的工作效率，常采用中斷傳送方式，來實現I/O數據的傳送。單片機只有在外設準備好后，才中斷主程序的執行，從而進入與外設數據傳送的中斷服務子程序，進行數據傳送。中斷服務完成后又返回主程序斷點處繼續執行。采用中斷方式可大大提高工作效率。9.1.4I/O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8位I/O口）；8（2）81C55：可編程的IO/RAM擴展接口電路（2個8位I/O口，1個6位I/O口，256RAM單元，1個14位的減法計數器）。都可以和AT89S51直接連接，接口邏輯簡單。9.2AT89S51擴展I/O接口芯片82C55的設計先介紹可編程并行I/O接口芯片82C55的應用特性，然后介紹AT89S51與82C55的接口電路以及軟件設計。9.2.182C55芯片簡介Intel公司的可編程并行I/O接口芯片，3個8位并行I/O口，3種工作方式，單片機與多種外設連接時的中間接口電路。引腳及內部結構如圖9-1和圖9-2。9圖9-182C55的引腳圖

圖9-282C55的內部結構101．引腳說明共40個引腳，引腳功能如下：D7～D0：三態雙向數據線，與單片機的P0口連接，用來與單片機之間傳送數據信息。CS*：片選信號線，低有效，表示本芯片被選中。RD*：讀信號線，低有效，讀82C55端口數據的控制信號。WR*：寫信號線，低電平有效，用來向82C55寫入端口數據的控制信號。Vcc：+5V電源。11PA7～PA0：端口A輸入/輸出線。PB7～PB0：端口B輸入/輸出線。PC7～PC0：端口C輸入/輸出線。A1、A0：地址線，用來選擇82C55內部的4個端口。RESET：復位引腳，高電平有效。2．內部結構如圖9-2，3個并行數據輸入/輸出端口，兩種工作方式的控制電路，一個讀/寫控制邏輯電路和一個8位數據總線緩沖器。各部件的功能如下：12（1）端口PA、PB、PC3個8位并行口PA、PB和PC，都可選為輸入/輸出工作模式，功能和結構上有差異。PA口：一個8位數據輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數據輸入鎖存器。PB口：一個8位數據輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數據輸入緩沖器。PC口：一個8位的輸出鎖存器；一個8位數據輸入緩沖器。通常PA口、PB口作為輸入/輸出口，PC口既可作為輸入/輸出口，也可在軟件控制下，分為兩個4位端口，作為端口PA、PB選通方式操作時的狀態控制信號。13（2）A組和B組控制電路是兩組根據AT89S51寫入的“命令字”控制82C55工作方式的控制電路。A組控制PA口和PC口的上半部（PC7～PC4）；B組控制PB口和PC口的下半部（PC3～PC0），并可用“命令字”來對端口PC的每一位實現按位置“1”或清“0”。（3）數據總線緩沖器數據總線緩沖器是一個三態雙向8位緩沖器，作為82C55與系統總線之間的接口，用來傳送數據、指令、控制命令以及外部狀態信息。14（4）讀/寫控制邏輯電路接收AT89S51單片機發來的控制信號RD*

、WR*

、RESET、地址信號A1、A0等，然后根據控制信號的要求，端口數據被AT89S51單片機讀出，或者將AT89S51單片機送來的數據寫入端口。各端口工作狀態與控制信號的關系如表9-1。15169.2.2工作方式選擇控制字及端口PC置位/復位控制字可向82C55控制寄存器寫入兩種不同的控制字。1．工作方式選擇控制字82C55有3種基本工作方式：（1）方式0—基本輸入/輸出；（2）方式1—選通輸入/輸出；（3）方式2—雙向傳送（僅PA口有此工作方式）。3種工作方式方式控制字來決定。格式如圖9-3。最高位D7=1，為本方式控制字的標志，以便與另一控制字相區別（最高位D7

=

0）。1718圖9-382C55的方式控制字格式PC口分兩部分，隨PA口稱為A組，隨PB口稱為B組。其中PA口可工作于方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1?！纠?-1】AT89S51單片機向82C55的控制字寄存器(假設端口地址為FF7FH)寫入工作方式控制字95H，根據圖9-3所示，可將82C55編程設置為：PA口方式0輸入，PB口方式1輸出，PC口的上半部分（PC7～PC4）輸出，PC口的下半部分（PC3～PC0）輸入。#include<absacc.h>#defineCOM8255XBYTE[0xff7f] /*0xff7f為82C55的控制寄存器地址*/#defineucharunsignedchar……voidinit8255(void)19{ COM8255=0x95; /*工作方式選擇控制字寫入82C55的控制寄存器*/……}2．PC口按位置位/復位控制字82C55的另一個控制字為PC口按位置位/復位控制字。即PC口8位中的任何一位，可用一個寫入82C55控制口的置位/復位控制字來對PC口按位置“1”或清“0”。該功能主要用于位控。PC口按位置位/復位控制字的格式如圖9-4所示?！纠?-2】AT89S51單片機向82C55的控制字寄存器寫入工作方式控制字07H，則PC3置1；08H寫入控制口，則PC4清0。假設82C55的端口寄存器的地址為FF7FH，程序段如下：#include<absacc.h>#defineCOM8255XBYTE[0xff7f]/*0xff7f為82C55的控制寄存器地址*/……voidinit8255(void){ COM8255=0x07；/*PC置/復位控制字寫控制寄存器，PC3=1*/COM8255=0x08；/*PC置/復位控制字寫入控制寄存器，PC4=0*/……}

21圖9-4PC口按位置位/復位控制字格式9.2.382C55的3種工作方式1．方式0

基本輸入/輸出方式。T89S51可對82C55進行I/O數據的無條件傳送。例如，AT89S51單片機從82C55的某一輸入口讀入一組開關狀態，從82C55輸出控制一組指示燈的亮、滅。并不需要任何條件，外設I/O數據可在82C55的各端口得到鎖存和緩沖。因此，方式0稱為基本輸入/輸出方式。方式0下，3個端口都可以由軟件設置為輸入或輸出，不需要應答聯絡信號。方式0基本功能：23（1）具有兩個8位端口（PA、PB）和兩個4位端口（PC的上半部分和下半部分）；（2）任何端口都可以設定為輸入或輸出，各端口的輸入、輸出共有16種組合。PA口、PB口和PC口均可設定為方式0，并可根據需要，向控制寄存器寫入工作方式控制字，規定各端口為輸入或輸出方式。【例9-3】假設82C55的控制字寄存器端口地址為FF7FH，則令PA口和PC口的高4位工作在方式0輸出，PB口和PC口的低4位工作于方式0輸入，初始化程序如下：uchar

xdataCOM8255_at_0xff7f /*0xff7f為82C55的控制寄存器地址*/……voidinit8255(void){ COM8255=0x83； /*工作方式選擇控制字寫入控制寄存器*/……}252．方式1應答聯絡的輸入/輸出工作方式。PA口、PB口皆可設成這種工作方式。方式1下，82C55的PA口和PB口通常用于I/O數據的傳送，PC口用作PA口和PB口的應答聯絡信號線，以實現采用中斷方式來傳送I/O數據。PC口的PC7～PC0的應答聯絡線是規定好的，其各位分配如圖9-5和圖9-7所示，圖中，標有I/O的各位仍可用作基本輸入/輸出，不作應答聯絡用。介紹方式1輸入/輸出時的應答聯絡信號與工作原理。26圖9-5

方式1輸入應答聯絡信號（1）方式1輸入方式1輸入應答聯絡信號如圖9-5。其中STB*

與IBF為一對應答聯絡信號。各應答聯絡信號的功能如下。STB*：是由輸入外設發給82C55的選通輸入信號，低有效。IBF：輸入緩沖器滿，應答信號。82C55通知外設已收到外設發來的且已進入輸入緩沖器的數據，高有效。INTR：由82C55向AT89S51單片機發出的中斷請求信號，高有效。INTEA：控制PA口是否允許中斷的控制信號，由PC4的置位/復位來控制。28INTEB：控制PB口是否允許中斷的控制信號，由PC2的置位/復位來控制。方式1輸入如圖9-6。下面以PA口的方式1輸入為例，介紹方式1輸入的工作過程。①當外設向82C55輸入一個數據并送到PA7～PA0時，外設自動在STB*上向82C55發送一個低電平選通信號。②82C55收到STB*后，先把PA7～PA0輸入的數據存入PA口的輸入數據緩沖/鎖存器，然后使輸出應答線IBF變為高，通知輸入外設，PA口已收到它送來的數據。③82C55檢測到STB*由低電平變為高電平、IBFA（PC5）為“1”狀態和中斷允許INTEA（PC4）=1時，使INTRA（PC3）29圖9-6PA口方式1輸入工作過程示意圖變為高電平，向單片機發出中斷請求。INTEA的狀態可由用戶通過指令對PC4的單一置位/復位控制字來控制。④單片機響應中斷后，進入中斷服務子程序來讀取PA口的外設發來的輸入數據。當輸入數據被單片機讀走后，82C55撤銷INTRA上的中斷請求，并使IBFA變低，通知輸入外設可傳送下一個輸入數據。31（2）方式1輸出方式1輸出時，應答聯絡信號如圖9-7。OBF*與ACK*

構成一對應答聯絡信號，應答聯絡信號功能如下。OBF*：端口輸出緩沖器滿信號，低有效，它是82C55發給外設的聯絡信號，表示外設可以將數據取走。ACK*：外設應答信號，低有效。表示外設已把82C55發出的數據取走。INTR：中斷請求信號，高有效。表示該數據已被外設取走，向單片機發中斷請求，如果AT89S51響應該中斷，在中斷服務子程序中向82C55寫入要輸出的下一數據。32圖9-7

方式1輸出應答聯絡信號INTEA—控制PA口是否允許中斷，由PC6控制。INTEB—控制PB口是否允許中斷，由PC2控制。方式1輸出工作示意如圖9-8。以PB口的方式1輸出為例，介紹工作過程。①AT89S51可以通過“MOVX@Ri，A”指令把輸出數據送到B口的輸出數據鎖存器，82C55收到后便令輸出緩沖器滿引腳

OBF*

（PC1）變低，以通知輸出設備輸出的數據已在PB口的PB7～PB0上。②輸出外設收到OBF*上低電平后，先從PB7～PB0上取走輸出數據，然后使ACKB*

變低電平，以通知82C55輸出外設已收到82C55輸出的數據。34

圖9-8PB口方式1輸出工作過程示意圖35③82C55從應答輸入線ACKB*收到低電平后就對OBF*和中斷允許控制位INTEB狀態進行檢測，若皆為高電平，則INTRB變為高電平而向單片機請求中斷。④AT89S51單片機響應INTRB上中斷請求后便可通過中斷服務程序把下一個輸出數據送到PB口的輸出數據鎖存器。重復上述過程，完成數據的輸出?！纠?-4】設置PA口為應答方式輸入，PB口為應答方式輸出。假設82C55的端口寄存器的地址為FF7FH，程序如下：uchar

xdataCOM8255_at_0xff7f /*0xff7f為82C55的控制寄存器地址*/……36voidinit8255(void){ COM8255=0xb4； /*工作方式選擇控制字寫入控制寄存器*/……}3．方式2只有PA口有方式2。圖9-9為工作示意圖。方式2是方式1輸入和輸出組合。PA7～PA0為雙向I/O總線。當作為輸入口使用，PA7～PA0受STBA

和IBFA控制；當作輸出端口使用，PA7～PA0受OBFA*、ACKA*

控制。圖9-9PA口在方式2下的工作示意圖方式2特別適用于像鍵盤、顯示器一類的外部設備，因為有時需要把鍵盤上輸入的編碼信號通過PA口送給單片機，有時又需把單片機發出的數據通過PA口送給顯示器顯示。9.2.4AT89S51單片機與82C55的接口設計1．硬件接口電路如圖9-10為AT89S51擴展一片82C55的電路。P0.1、P0.0經74LS373與82C55的A1、A0連接；P0.7經74LS373與片選端CS*相連，其它地址線懸空；82C55的控制線RD*、WR*

直接與單片機RD*和

WR*端相連；單片機數據總線P0.0～P0.7與82C55數據線D0～D7連接。402．確定82C55端口地址圖9-10中82C55只有3條線與AT89S51地址線相接，片選端CS*、端口地址選擇端A1、A0，分別接于P0.7、P0.1和P0.0，其他地址線全懸空。顯然只要保證P0.7為低電平時，即可選中82C55；若P0.1、P0.0再為“00”，則選中82C55的PA口。同理P0.1、P0.0為“01”、“10”、“11”分別選中PB口、PC口及控制口。若端口地址用16位表示，其他無用端全設為“1”（也可把無用端全設為“0”），則82C55的A、B、C及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。41圖9-10AT89S51單片機擴展一片82C55的接口電路42如果沒有用到的位取“0”，則4個端口地址分別為0000H、0001H、0002H、0003H，只要保證、A1、A0的狀態，無用位設為“0”或“1”均可。3．軟件編程在實際設計中，須根據外設的類型選擇82C55的操作方式，并在初始化程序中把相應控制字寫入控制口。下面根據圖9-10，介紹對82C55進行操作的編程?！纠?-5】根據圖9-10，要求82C55的PC口工作在方式0，并從PC5腳輸出連續的方波信號，頻率為500Hz，參考程序如下：43#include<reg51.h>#include<absacc.h>#definePA8255XBYTE[0xff7c] /*0xff7c為82C55PA端口地址*/#definePB8255XBYTE[0xff7d] /*0xff7d為82C55PB端口地址*/#definePC8255XBYTE[0xff7e] /*0xff7e為82C55PC端口地址*/#defineCOM8255XBYTE[0xff7f]/*0xff7f為82C55控制寄存器地址*/#defineucharunsignedcharexternvoiddelay_1000us();44voidinit8255(void){ COM8255=0x85； /*工作方式選擇控制字寫入控制寄存器*/}voidmain(void){ init8255(void)for(;;){ COM8255=0x0b； /*PC5腳為高電平*/delay_1000us()； /*高電平持續1000微秒*/COM8255=0x0a； /*PC5腳為低電平*/delay_1000us()； /*低電平持續1000微秒*/}}9.3利用74LSTTL電路擴展并行I/O口在AT89S51系統中，有些場合可采用TTL電路、CMOS電路鎖存器或三態門電路也可構成各種類型的簡單輸入/輸出口。通常這種I/O都是通過P0口擴展。由于P0口只能分時復用，故構成輸出口時，接口芯片應具有鎖存功能；構成輸入口時，要求接口芯片應能三態緩沖或鎖存選通。圖9-11利用74LS244和74LS373芯片，擴展簡單的I/O口的電路。74LS244和74LS373的工作受單片機P2.7、RD*、WR*

3條控制線控制。74LS244是緩沖驅動器，作為擴展的輸入口，它的8個輸入端分別接8個開關S7~S0。46圖9-1174LSTTLI/O擴展舉例74LS373是8D鎖存器，作為擴展的輸出口，輸出端接8個發光二極管LED7-LED0。當某輸入口線的開關按下時，該輸入口線為低電平，讀入單片機后，其相應位為“0”，然后再將口線的狀態經74LS373輸出，某位低電平時二極管發光，從而顯示出按下的開關的位置。由圖9-11可以確定擴展的74LS244和74LS373芯片具有相同的端口地址：F7FFH，只不過讀入時，P2.0和有效，選中74LS244；輸出時P2.0和有效選中74LS373?！纠?-6】電路如圖9-11，編程把開關S7-S0狀態通過74LS373輸出端的8個發光二極管顯示出來。程序如下：48#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar……ucharii=XBYTE[0xf7ff]XBYTE[0xf7ff]=i……由程序可看出，對所擴展接口的輸入/輸出如同對外部RAM讀/寫數據一樣方便。圖9-11僅擴展了1片輸出芯片和1片輸入芯片，如果仍不夠用，還可仿照上述思路，根據需要來擴展多片74LS244、74LS373之類的芯片，但需要在端口地址上對各芯片加以區分。499.4用AT89S51單片機的串行口擴展并行口AT89S51單片機串行口的方式0用于I/O擴展。在方式0時，串行口為同步移位寄存器工作方式，其波特率是固定的，為fosc/12（fosc為系統的振蕩器頻率）。數據由RXD端（P3.0）輸入，同步移位時鐘由TXD端（P3.1）輸出。發送、接收的數據是8位，低位在先。9.4.1用74LS165擴展并行輸入口圖9-12所示為串行口外接兩片74LS165擴展兩個8位并行輸入口的接口電路。74LS165是8位并行輸入串行輸出的寄存器。當74LS165的S/L*端由高到低時，并行輸入端數據被置入寄存器；

50圖9-12

利用74LS165擴展并行輸入口當S/L*=1，且時鐘禁止端（第15腳）為低電平時，允許TXD（P3.1）移位時鐘輸入，這時在時鐘脈沖作用下，數據由右向左方向移動。在圖9-12中，TXD（P3.1）作為移位脈沖輸出與所有74LS165的移位脈沖輸入端CP相連；RXD（P3.0）作為串行數據輸入端與74LS165的串行輸出端QH相連；P1.0與S/相連，用來控制74LS165的串行移位或并行輸入；74LS165的時鐘禁止端（第15腳）接地，表示允許時鐘輸入。當擴展多個8位輸入口時，相鄰兩芯片的首尾（QH與SIN）相連。

52【例9-10】

下面的程序是從16位擴展口讀入4組數據（每組2B），并存入到內部RAM緩沖區。參考程序如下。#include<reg51.h>typedefunsignedcharBYTE;BYTErx_data[8];sbit

test_flag； /*定義讀入字節的奇偶標志*/sbitP1_0=P1^0； /*定義工作狀態控制端*//*讀入數據函數*/BYTEreceive(void)

{ BYTEtemp;

while(RI==0);RI=0;temp=SBUF; returntemp;}53/*主程序*/voidmain(void){ BYTEi;

test_flag=1;/*奇偶標志初始值為1，表示讀的是奇數字節*/ for(i=0;i<4;i++) /*循環讀入10個字節數據*/ { if(test_flag==1){ P1_0=0； /*并行置入2字節數據*/ P1_0=1；} /*允許串行移位讀入*/ SCON=0x10; /*設置串行口方式0*/ rx_data[i]=receive()； /*接收1字節數據*/ test_flag=～test_flag；/*改寫讀入字節的奇偶性，以決定是否重新并行置入*/}}

54程序中串行接收過程采用的是查詢等待的控制方式，如有必要，也可改用中斷方式。理論上講，按圖9-12方法擴展的輸入口幾乎是無限的，但擴展的越多，口的操作速度也就越慢。9.4.2用74LS164擴展并行輸出口圖9-13所示為串行口外接兩片74LS164擴展兩個8位并行輸出口的接口電路。74LS164是8位串入并出移位寄存器。55圖9-13

利用74LS164擴展并行輸出口當AT89S51單片機串行口工作在方式0的發送狀態時，串行數據由P3.0（RXD）送出，移位時鐘由P3.1（TXD）送出。在移位時鐘的作用下，串行口發送緩沖器的數據一位一位地從P3.0移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態會不斷變化，故在某些應用場合，在74LS164的輸出端應加接輸出三態門控制，以便保證串行輸入結束后再輸出數據?！纠?-11】下面是將內部RAM緩沖區的8個字節的內容經串行口由74LS164并行輸出，參考程序如下。#include<reg51.h>typedefunsignedcharBYTE;BYTEi; /*i為右邊的74LS164的輸出*/BYTEj; /*j為左邊的74LS164的輸出*/BYTEdata[8]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08}/*主程序*/voidmain(void){ SCON=0x00; /*設置串行口方式0*/ { for(i=0;i<=8;i++) /*輸出8個字節數據*/{ for(j=0;j<=8;j++); SBUF=data[j]while(TI==0);TI=0;SBUF=data[i]while(TI==0);TI=0;}}while(1)；}test_flag=1; /*奇偶標志初始值為1，表示讀的是奇數字節*/ { if(test_flag==1) { P1_0=0； /*并行置入2字節數據*/ P1_0=1；} /*允許串行移位讀入*/

rx_data[i]=receive()； /*接收1字節數據*/

test_flag=～test_flag； /*改寫讀入字節的奇偶性，以決定是否重新并行置入*/}}9.5用I/O口控制的聲音報警接口當單片機測控系統發生故障或處于某種緊急