一、單片機I/O擴展基礎(chǔ)知識 1 、I/O接口電路的功能 外部設(shè)備的速度十分復(fù)雜，必須通過I/O接口電路實現(xiàn)。 （1） 速度協(xié)調(diào) ??? 面對各種設(shè)備的速度差異，單片機無法按固定的時序以同步方式進行I/O操作，只能以異步方式進行，也就是只有在確認(rèn)設(shè)備已為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備的前提下才能進行I/O操作。為此需要接口電路產(chǎn)生狀態(tài)信號或中斷請求信號，表明設(shè)備是否做好準(zhǔn)備。即通過接口電路來進行單片機與外部設(shè)備之間的速度協(xié)調(diào)。 （2） 輸出數(shù)據(jù)鎖存 由于CPU與外設(shè)速度的不一致，需要有接口電路把輸出數(shù)據(jù)先鎖存起來，待輸出設(shè)備為接收數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備后，再把傳送數(shù)據(jù)。這就是接口電路的數(shù)據(jù)鎖存功能。 （3） 數(shù)據(jù)總線隔離 線上可能連接著多個數(shù)據(jù)源(輸入設(shè)備)和多個數(shù)據(jù)負(fù)載(輸出設(shè)備)。一對源和負(fù)載的數(shù)據(jù)傳送正在進行時，所有其他不參與的設(shè)備在電性能上必須與總線隔開。這就是接口電路的總線隔離功能。 為了實現(xiàn)總線隔離，需要有接口電路提供具有三態(tài)緩沖功能的三態(tài)緩沖電路。 （4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 外部設(shè)備種類繁多，不同設(shè)備之間的性能差異很大，信號形式也多種多樣。單片機只能使用數(shù)字信號，如果外部設(shè)備所提供或需要的不是電壓形式的數(shù)字信號，就需要有接口電路進行轉(zhuǎn)換，其中包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等。 （5）增強驅(qū)動能力 通過接口電路為輸出數(shù)據(jù)提供足夠的驅(qū)動功率，以保證外部設(shè)備能正常、平穩(wěn)地工作。 ?2、?關(guān)于接口電路的更多說明 （1）接口與接口電路 “接口” （Interface），具有界面、相互聯(lián)系等含義，通過接口能使兩個被連接的器件協(xié)同工作。單片機接口，則是研究單片機與外部設(shè)備之間的連接問題。單片機與外部設(shè)備之間接口界面的硬件電路稱為接口電路，或稱為I/O接口電路。 （2） 口或端口 為了實現(xiàn)I/O接口電路的界面功能，在接口電路中應(yīng)包含一些寄存器，通常把接口電路中這些已編址并能進行讀或（和）寫操作的寄存器稱為端口或簡稱口(Port）。完整的接口功能是靠軟硬件相結(jié)合實現(xiàn)的，而口則是供用戶使用的硬件內(nèi)容，用戶在進行擴展連接和編寫相關(guān)程序時，要用到接口電路中的各個口，為此就需要知道這些口的設(shè)置和編址情況。 （3） I/O接口的特點 外部設(shè)備和I/O操作的復(fù)雜性，使接口電路成為單片機與外部設(shè)備之間必不可少的界面，通過接口電路居中協(xié)調(diào)和控制，保證外部設(shè)備的正常工作。有關(guān)I/O接口的特點可歸結(jié)為如下3點： ① 異步性。平時單片機與外部設(shè)備按各自的時序并行工作，只有在需要時外部設(shè)備才通過接口電路接受單片機的控制。 ② 實時性。單片機對外部設(shè)備的控制以查詢或中斷方式進行，以便最大限度地實現(xiàn)控制的實時化。 ③ 與設(shè)備無關(guān)性。接口芯片不一定是專用的，同一個接口芯片通過軟件設(shè)置可為多種設(shè)備實現(xiàn)接口。 （4）并行接口與串行接口 按數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，接口有并行與串行之分，即并行接口與串行接口。本章重點是并行接口。 3、?I/O編址技術(shù) 為了對I/O接口電路中的寄存器(端口)進行讀/寫操作，就需要對它們進行編址，所以就出現(xiàn)了I/O編址問題。有兩種I/O編址方式：統(tǒng)一編址方式和獨立編址方式。在80C51單片機系統(tǒng)中，采用統(tǒng)一編址方式。 所謂統(tǒng)一編址方式，就是把I/O接口中的寄存器與外擴展的數(shù)據(jù)存儲器中的存儲單元同等對待，合在一起使用同一個64 KB的外擴展地址空間。I/O和存儲器的統(tǒng)一編址，使得I/O口也采用16位地址編址，并使用數(shù)據(jù)存儲器讀/寫指令進行I/O操作，而不需要專門的I/O指令， 所謂獨立編址方式，就是把I/O與存儲器分開進行編址。這樣，在一個單片機系統(tǒng)中就形成了兩個獨立的地址空間：存儲器地址空間和I/O地址空間。獨立編址方式的優(yōu)點是兩個地址空間相互獨立界限分明，但同時也存在許多麻煩并增加系統(tǒng)開銷，所以獨立編址方式在單片機中較少采用。 4 、單片機I/O控制方式 （1）無條件方式 無條件傳送也稱為同步程序傳送。只有那些能一直為I/O操作作好準(zhǔn)備的設(shè)備，才能使用無條件傳送方式。在進行無條件I/O操作時，無需測試設(shè)備的狀態(tài)，可以根據(jù)需要隨時進行I/O操作。 無條件傳送適用于兩類設(shè)備的I/O操作。一類是具有常駐的或變化緩慢的數(shù)據(jù)信號的設(shè)備。例如，機械開關(guān)、指示燈、發(fā)光二極管、數(shù)碼管等，另一類則是工作速度非?？?，足以和單片機同步工作的設(shè)備，例如數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC）。 （2）查詢方式 查詢方式又稱有條件傳送方式，在I/O操作前，要檢測設(shè)備的狀態(tài)，只有在確認(rèn)設(shè)備已“準(zhǔn)備好”的情況下，單片機才能執(zhí)行I/O操作。檢測也稱為“查詢”，所以就把這種有條件的I/O控制方式稱為查詢方式。 為實現(xiàn)查詢方式的I/O控制，需要由接口電路提供設(shè)備狀態(tài)，接口電路中的狀態(tài)寄存器或狀態(tài)位就是為此而準(zhǔn)備的查詢方式只適用于規(guī)模比較小的單片機系統(tǒng)。 （3） 中斷方式 中斷方式與查詢方式的主要區(qū)別在于如何知道外部設(shè)備是否為I/O操作做好準(zhǔn)備。采用中斷方式進行I/O控制時，當(dāng)設(shè)備做好準(zhǔn)備之后，就向單片機發(fā)出中斷請求。單片機接收到中斷請求之后作出響應(yīng)，暫停正在執(zhí)行的原程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序完成一次I/O操作，然后程序返回，單片機再繼續(xù)執(zhí)行被中斷的原程序。 中斷方式效率較高，所以在單片機系統(tǒng)中被廣泛采用。但中斷請求是一種不可預(yù)知的隨機事件，所以實現(xiàn)起來對單片機系統(tǒng)的硬件和軟件都有較高的要求。 二、可編程并行接口芯片8255 8255是Intel公司產(chǎn)品，因其工作方式和操作功能等可通過程序進行設(shè)置和改變，稱為可編程接口芯片。 1 、8255硬件邏輯結(jié)構(gòu) 8255的全稱是“可編程并行輸入/輸出接口芯片”，具有通用性強且使用靈活等優(yōu)點，可用于實現(xiàn)80C51系列單片機的并行I/O口擴展。 8255芯片引腳圖