【51单片机快速入门指南】2.5：并行I/O扩展与8255A

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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$2^n$个存储单元，即寻址范围为$2^n$地址单元。80C51单片机外扩展空间为64 KB，即$2^{16}$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A，PC2对应触发器B；在输出方式下，PC6对应触发器A，PC2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（$8+3=11$）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：

1. A口有3种工作方式，而B口只有两种工作方式；
2. 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.h"

void 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 
#include 

#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	0

void Init_8255A(unsigned char A_Group_Mode, bit PA_Mode, bit PCH_Mode, bit B_Group_Mode, bit PB_Mode, bit PCL_Mode);

#endif

main.c

将A组、B组均配置为模式0，PA口输入，PB口输出，PB口跟随PA口的电平状态。

#include 
#include "intrins.h"
#include "8255A.h"

void 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。