一、單片機I/O擴展基礎知識 1 、I/O接口電路的功能 外部設備的速度十分復雜，必須通過I/O接口電路實現。 （1） 速度協調 ??? 面對各種設備的速度差異，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，也就是只有在確認設備已為數據傳送做好準備的前提下才能進行I/O操作。為此需要接口電路產生狀態信號或中斷請求信號，表明設備是否做好準備。即通過接口電路來進行單片機與外部設備之間的速度協調。 （2） 輸出數據鎖存 由于CPU與外設速度的不一致，需要有接口電路把輸出數據先鎖存起來，待輸出設備為接收數據做好準備后，再把傳送數據。這就是接口電路的數據鎖存功能。 （3） 數據總線隔離 線上可能連接著多個數據源(輸入設備)和多個數據負載(輸出設備)。一對源和負載的數據傳送正在進行時，所有其他不參與的設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。 為了實現總線隔離，需要有接口電路提供具有三態緩沖功能的三態緩沖電路。 （4）數據轉換 外部設備種類繁多，不同設備之間的性能差異很大，信號形式也多種多樣。單片機只能使用數字信號，如果外部設備所提供或需要的不是電壓形式的數字信號，就需要有接口電路進行轉換，其中包括模/數轉換和數/模轉換等。 （5）增強驅動能力 通過接口電路為輸出數據提供足夠的驅動功率，以保證外部設備能正常、平穩地工作。 ?2、?關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、相互聯系等含義，通過接口能使兩個被連接的器件協同工作。單片機接口，則是研究單片機與外部設備之間的連接問題。單片機與外部設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I/O接口電路的界面功能，在接口電路中應包含一些寄存器，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合實現的，而口則是供用戶使用的硬件內容，用戶在進行擴展連接和編寫相關程序時，要用到接口電路中的各個口，為此就需要知道這些口的設置和編址情況。 （3） I/O接口的特點 外部設備和I/O操作的復雜性，使接口電路成為單片機與外部設備之間必不可少的界面，通過接口電路居中協調和控制，保證外部設備的正常工作。有關I/O接口的特點可歸結為如下3點： ① 異步性。平時單片機與外部設備按各自的時序并行工作，只有在需要時外部設備才通過接口電路接受單片機的控制。 ② 實時性。單片機對外部設備的控制以查詢或中斷方式進行，以便最大限度地實現控制的實時化。 ③ 與設備無關性。接口芯片不一定是專用的，同一個接口芯片通過軟件設置可為多種設備實現接口。 （4）并行接口與串行接口 按數據傳輸方式的不同，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 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，所以就出現了I/O編址問題。有兩種I/O編址方式：統一編址方式和獨立編址方式。在80C51單片機系統中，采用統一編址方式。 所謂統一編址方式，就是把I/O接口中的寄存器與外擴展的數據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和存儲器的統一編址，使得I/O口也采用16位地址編址，并使用數據存儲器讀/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操作作好準備的設備，才能使用無條件傳送方式。在進行無條件I/O操作時，無需測試設備的狀態，可以根據需要隨時進行I/O操作。 無條件傳送適用于兩類設備的I/O操作。一類是具有常駐的或變化緩慢的數據信號的設備。例如，機械開關、指示燈、發光二極管、數碼管等，另一類則是工作速度非常快，足以和單片機同步工作的設備，例如數/模轉換器(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，要檢測設備的狀態，只有在確認設備已“準備好”的情況下，單片機才能執行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。 為實現查詢方式的I/O控制，需要由接口電路提供設備狀態，接口電路中的狀態寄存器或狀態位就是為此而準備的查詢方式只適用于規模比較小的單片機系統。 （3） 中斷方式 中斷方式與查詢方式的主要區別在于如何知道外部設備是否為I/O操作做好準備。采用中斷方式進行I/O控制時，當設備做好準備之后，就向單片機發出中斷請求。單片機接收到中斷請求之后作出響應，暫停正在執行的原程序，而轉去執行中斷服務程序，通過執行中斷服務程序完成一次I/O操作，然后程序返回，單片機再繼續執行被中斷的原程序。 中斷方式效率較高，所以在單片機系統中被廣泛采用。但中斷請求是一種不可預知的隨機事件，所以實現起來對單片機系統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公司產品，因其工作方式和操作功能等可通過程序進行設置和改變，稱為可編程接口芯片。 1 、8255硬件邏輯結構 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點，可用于實現80C51系列單片機的并行I/O口擴展。 8255芯片引腳圖