单片机原理和开发应用(10) 第十讲 学习与实验（六）

前面几讲介绍了单片机指令及内部功能单元等，本讲介绍单片机输入／输出（I／O）接口的扩展使用方法。在单片机应用系统中，一般都通过I／O接口连结多种外部设备，例如键盘、LED显示器、数字——模拟转换器、模拟——数字转换器等。怎样利用有限的I/O口连接多路外设，即I/O接口的扩展问题是单片机应用系统的基本问题之一。I／O接口扩展的基本方法大致可分为两种，一种是采用8155、8255等通用并行接口芯片进行扩展；另一种方法是用简单的三态门或锁存器直接在总线上进行扩展。这类芯片有74LS244、245、273、373、377等等。下面分别介绍这两种扩展方法并进行有关实验。

8155内部包含有两个8位（PA、PB）、一个6位（PC）共22位I／O口线，一个14位的计数器以及256×8位的静态RAM，可见扩展一片8155芯片，就能获得如此众多的可用资源。

图1给出了TD－Ⅰ型机与8155芯片的连接电路，其中0AD～7AD、ALE、WR、RD-、RST-、VCC、E均与8031各条引线对应连接，IO／M-接0P2（8A），片选线CE-在这里被用作地址选通线，可由8031分配地址。由于TD－Ⅰ型机中6116RAM的地址是多重地址（7P2～3P2高位地址线悬空），若直接引出高位地址线作为8155的片选线CE-的地址选通线，那么当CPU对8155进行操作时有可能破坏6116RAM的内容。因此图2中采用了74LS138译码器，译码器的6Y-接8155的CE-，则当8155的地址范围为C000H～DFFFH（参见第七讲，1991年2期）。另外6116作为程序存储器使用时，地址必须从0000H开始；在手动编程时，由于P2口在上电复位时的状态全是高电平，要保证程序能输入，还要使6116在地址从E000H开始（7P2～5P2为全1）的地址区内被选通。为使在这两个地址时，6116均被选中，应将译码器的0Y-和7Y-经过两级与非门接到TD—Ⅰ型机中6116的片选端（需先将6116的18脚与地断开），这样6116的地址范围为0000H～1FFFH和E000H～FFFFH，8155的地址为C000H～DFFFH。手动输入程序时，7Y-有效；CPU读取存储器内容时，0Y-有效；对8155操作时，6Y-有效。这就保证了操作时地址不重复，避免相互干扰。

图中的两个与非门可以利用TD－Ⅰ型机中74LS00的两个空门或另接入一片74LS00。所有外扩芯片均应装在（万次多用）实验电路板上。

接线完毕可以对8155内部256字节的存储单元RAM进行操作。

8155内部256字节RAM地址区的低8位地址为00H～FFH，高8位地址由6Y-及0P2决定。当6Y-有效（即8031的7P2～5P2为110，地址在C000H～DFFFH范围内）且0P2=0时（即IO／M-=0）才选中8155的内部RAM，因此高8位地址应为110××××0，×若都取1，则高8位为DEH。故整个地址范围为DE 00 H～DEFFH。

下面一段程序可对8155内部RAM进行写数据，读者可将它输入学习机进行练习。

机器码为0000H：02 00 30H；0030H 00，74 00，90 DE 00，F0，A3，DA FC，90 DE 00，75 A0 02，78 00，E0，F2，A3，08，DA FA，80 FE。

运行结束后检查以0200H单元为首地址的256个单元内容应全部为00H。还可将0033H单元的00H改为其它数，运行并检查，结果应一致。

［实验2］ 8155I／O口操作实验

图1中，当6Y-有效且0P2（IO／M-）为1时，8031可对8155的I／O口进行操作，此时地址的高8位为DFH，低8位地址由7AD～0AD（即7P0～0P0）统一编址如下：

8155的PA口、PB口及计数器的工作方式是通过向命令／状态字寄存器地址DF00H写入命令字来选择的。命令字的各个位定义如下表：

其中PA、PB分别定义PA口和PB口的工作方式。当PA（或PB）=0时，定义PA口（或PB口）为输入方式；当PA（或PB）=1时，定义PA口（或PB口）为输出方式。PC2、PC1定义PC口的工作方式。PC2、PC1为00时，PA口PB口定义为基本输入、输出方式，PC口为输入方式；当PC2、PC1为11时，PA口、PB口定义为基本输入、输出方式，PC口为输出方式；当PC2、PC1为01时，PA口为选通输入、输出方式，PB口为基本输入、输出方式，此时PC口的0PC、1PC、2PC三根线定义为PA口的联络线，3PC～5PC为输出方式；当PC2、PC1为10时，PA口、PB口都为选通输入、输出方式，此时0PC～2PC三根线为PA口的联络线，3PC～5PC三根线为PB口联络线，其中0PC、3PC分别为PA口、PB口的中继请求线，其余线为与外设的应答线。

IEA、IEB分别为PA口和PB口的中断允许位。当IEA=0时，PA口禁止中断；IEA=1时，PA口允许中断；当IEB=0时，PB口禁止中断；IEB=1时，PB口允许中断。

命令字的最高两位7D、6D用来控制计数器的启动或停止。当TM2、TM1为00时产生空操作；为01时停止计数；为10时，当计数器达到当前的计数终值后立即停止计数；为11时，启动，计数时，装入常数后立即计数，否则待计数器溢出后按新的工作方式和计数常数开始计数。

另外，当读出该寄存器内容时，读出的是当前I／O口和计数器的状态，状态格式如下：7D无效；6D为定时器中断（TIMER）状态位，当计数器满时置入高电平，在读出命令／状态字寄存器的状态或硬件复位时变为低电平；5D为PB口中断允许（INTEB）状态位；4D为PB口缓冲器满／空（BFB）状态位；3D为PB口中断请求（INTRB）状态位；2D为PA口中断允许（INTEA）状态位；ID为PA口缓冲器满／空（BFA）状态位；0D为PA口中断请求（INTRA）状态位。

对8155I/O口操作实验内容如下：设PA口为基本输入方式，PB口为基本输出方式。实验电路如图2所示，图中PA口的一组开关可以模拟输入数据，PB口的发光管能实时地将PA口的状态显示出来。根据PA口和PB口的工作方式设置要求，8155的命令控制率应为00000010B，即02H。

机器码如下：000H：02 00 30；0030H：90 DF 00,7402，F0，90 DF 01，E0，A3，F0，80 F2。\

按图2连好电路后再输入指令码，然后运行程序。反复改变PA口开关的状态，观察PB口发光管的显示状况。

［实验3］8155计数器操作实验。

8155片内的14位减法计数器由8155的04H（DF04H）寄存器和05H（DF05H）寄存器组成，其中04 H寄存器的8位构成14位计数器的低8位，05 H寄存器的低6位构成14位计数器的高6位。外部有两个引脚分别作为计数器的输入（TIN）和输出（TOUT）端，计数脉冲由TIN引脚输入，每输入一个脉冲计数器内容（从计数长度初值开始）减1，当达到最后计数值（指计数长度初值的一半）时，TOUT引脚输出状态进行翻转。TOUT的输出波形可以有4种不同选择，即单次方波、连续方波、终止计数时的单脉冲、连续脉冲。05H寄存器的最高两位M2、M1选择不同值时可获得不同的输出波形，M2、M1取00、01、10、11时，TOUT分别输出单次方波、连续方波、终止计数时的单脉冲、连续脉冲。M2、M1的值和计数长度初值由指令同时送入，计数长度初值的范围为0002H～3FFFH，如果写入计数器的计数长度初值为奇数，则输出方波不对称。例如计数长度初值为9时，则计数器输出方波在5个输入脉冲周期内为高电平，4个输入脉冲周期内为低电平。如将该计数器作为分频器用，则将分频系数N作为计数器的计数长度初值送入，在TOUT端就可获得N分频的连续方波，即输出方波的周期是输入脉冲周期的N倍（如上所述的9分频）。

下面的实验是利用8155的计数器作为分频器实现100分频。输入脉冲源可利用8031的ALE引脚输出的波形，其频率为fosc／6＝1MHz。实验前，先将8155的TIN（3脚）和8031的ALE（30脚）相连。

机器码为0000 H：02 00 30；0030 H：90 DF 04，74 64，F0，A3，74 40，F0，90 DF 00，74 C3，F0，80 FD。

程序运行后，TOUT脚就会产生连续方波输出，如果没有硬件复位，则输出将持续下去。TOUT的波形可用示波器观察并测出输出波形的频率。读者还可以练习如下内容：1）改变分频系数，即计数器初值（0033H中的内容）；2）改变TOUT的输出方式即M2、M1的值，观察输出波形是否与所预期的一致。

如果没有示波器，可在TIN端输入一个频率较低的外接信号源，在TOUT引脚接一发光管，选择适当的分频系数，就能直接观察输出波形的周期大小，（用扬声器也能定性“听”出用期大小）。

有兴趣的读者还可利用8031的计数器来测出一个脉冲的周期。具体方法是：将TOUT接8031的0T端，并在TD－Ⅰ上输入如下参考程序：

TH0、TL0内部读数为0T在100ms内记录的输入脉冲个数，因而可知TOUT的频率为TH0，TL0中的数值乘10。

需要指出的是，由ALE所得计数脉冲频率是不稳定的，当CPU执行程序存储器操作指令时，ALE的信号频率为fosc/6，而当CPU执行外部RAM指令时，ALE的信号频率约为fosc/8。

1．用三态门扩展输入口

事实上，三态门本身就是一个最简单的接口电路，利用地址线可以控制三态门的接通或断开。图3中的74 LS 244芯片就是一个具有8个三态门的集成芯片，8个三态门分成两组，其控制端G1-、G2-受地址线1Y-控制，当1Y-有效（即7P2、6P2、5P2=001时），244内部的三态门都被选通，其地址范为2000 H～3 FFFH，当执行指令MOV DPTR，＃2000 H及MOVX A，TR时，就可读取该输入口的数据，而在其他时该，1Y-无效，244均处于悬浮状态。

用244也以构成输出口，但这个输出口没有锁存能力，口上的数据是暂态的。

2．用锁存器扩展输出口

图3中74LS373芯片是一个带有锁存输入、控制输出的8D触发器，其11脚（G）为输入锁存控制端。当G有效（高电平）时，将输入引脚的状态锁存到D触发器，当EN-（1脚）有效（低电平）时，D触发器状态才反映到输出引脚上。图4中，G被上拉为高电平，EN-接地址2Y-，其地址范围为4000H～5FFFH。每执行一次输出指令MOV DPTR，＃4000H及MOVXTR，A输出口状态就被修改一次。当EN-无效时，该输出状态不会发生改变，我们称这样的输出口具有锁存能力。

［实验4］用244和373扩展的I／O口操作实验

按图3接好电路，244为输入口，373为输出口。输入口的8个开关可以模拟输入的数据，输出口的8个发光管用来指示输入端的状态。

实验内容可参阅实验2。(周振安)