单片机原理及应用第八章--河海大学--考试自用

8.1  单片机的系统总线

8.1.1  三总线结构

8.1.2  地址锁存原理及实现

锁存器——74HC373 先略过

8.2  简单/可编程并行I/O口扩展

8.2.1 访问扩展端口的软件方法

简单并行I/O口扩展

这种方法的核心是使用通用的数字逻辑芯片（如锁存器、缓冲器）来增加I/O口的数量。它本身不具备“可编程”能力，功能是固定的。

1. 输出口扩展（使用锁存器）

• 典型芯片：74HC573（8D透明锁存器）

• 功能：将单片机送出的数据暂时“锁存”住，并保持稳定的输出给外部设备。

• 工作原理：

  1. 单片机的数据总线（如P0口）连接到74HC573的8个数据输入端（D0-D7）。

  2. 单片机的一个I/O引脚（如P2.0）连接到74HC573的“锁存使能”引脚（LE，或叫G）。

  3. 当LE为高电平时，输出端（Q0-Q7）会跟随输入端（D0-D7）的变化。

  4. 当数据稳定后，单片机将LE拉为低电平，此时输出端的数据就会被锁存住，保持不变，即使输入端的数据后续改变了也不受影响。

• 电路连接示意图：

  text

  单片机P0口 <---> 74HC573 D0-D7
  单片机P2.0 ---> 74HC573 LE (锁存使能)
  74HC573 Q0-Q7 ---> 外设（如LED、继电器等）

• 关键特点：

  • 简单、便宜、速度快。

  • 功能固定，只能做输出。

  • 需要占用数据总线和额外的控制线。

2. 输入口扩展（使用缓冲器/三态门）

• 典型芯片：74HC244（八路缓冲器/线驱动器）

• 功能：将外部设备的信号“传递”给单片机，并防止外部信号干扰单片机的数据总线。

• 工作原理：

  1. 外部设备的8位数据连接到74HC244的输入端（A1-A8）。

  2. 74HC244的输出端（Y1-Y8）连接到单片机的数据总线（如P0口）。

  3. 单片机的一个I/O引脚连接到74HC244的“输出使能”引脚（OE）。

  4. 当OE为低电平时，输入端的数据被传递到输出端，单片机可以读取。

  5. 当OE为高电平时，输出端呈高阻态，相当于与数据总线断开，这样其他设备就可以使用总线了。

• 电路连接示意图：

  text

  外设（如按键、开关） ---> 74HC244 A1-A8
  单片机P0口 <---> 74HC244 Y1-Y8
  单片机P2.1 ---> 74HC244 OE (输出使能，低电平有效)

• 关键特点：

  • 实现了总线的分时复用，多个输入设备可以共享同一组数据总线。

  • 功能固定，只能做输入。

**简单并行扩展总结（考试要点）：

• 核心思想：使用74HC573、74HC244等通用芯片。

• 优点：成本低、电路简单、速度最快。

• 缺点：功能单一、不可编程、扩展多路时需较多控制线（需配合地址译码器）。

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可编程并行I/O口扩展

这种方法的核心是使用专用的、可编程的接口芯片。单片机可以通过软件命令来配置芯片的工作方式，功能非常灵活。

典型芯片：Intel 8255A（PPI）

这是考试中最常考到的芯片，必须重点掌握。

1. 基本结构

8255A内部有4个主要部分：

1. 数据总线缓冲器：负责与单片机的数据总线（D0-D7）连接，传输数据、命令。

2. 读/写控制逻辑：接收单片机的地址线（A0, A1）和控制线（RD, WR, RESET），决定芯片的操作类型。

3. A组和B组控制电路：接收来自单片机的“控制字”，并据此配置各个端口的工作方式。

4. 三个8位I/O端口：

   • PA口（Port A）：一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。功能较强。

   • PB口（Port B）：一个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。

   • PC口（Port C）：一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。PC口可以拆分为两个4位端口，或者作为PA口和PB口的“状态/控制”信号线。

2. 端口寻址与操作

8255A有A0和A1两根地址线，用来选择内部不同的端口。

A1	A0	选择的端口
0	0	PA口
0	1	PB口
1	0	PC口
1	1	控制寄存器

• 对PA、PB、PC口进行“写”操作 -> 输出数据到外部。

• 对PA、PB、PC口进行“读”操作 -> 从外部读入数据。

• 对“控制寄存器”进行“写”操作 -> 写入控制字，配置8255A的工作方式。

3. 工作方式与控制字

这是8255A的核心，也是考试的重点。

8255A主要有两种基本工作方式（方式0和方式1），由方式选择控制字来设定。

• 方式0：基本输入/输出方式

  • 三个端口（PA, PB, PC）都可以独立设置为输入或输出。

  • 输出是锁存的，输入是不锁存的（方式0下，PC口输入不锁存）。

  • 适用于无条件传送或查询式传送。

• 方式1：选通输入/输出方式

  • PA口和PB口可以作为数据口，PC口的部分引脚被固定定义为PA和PB的“握手信号”线（如STB-选通信号，IBF-输入缓冲器满，ACK-应答信号，OBF-输出缓冲器满等）。

  • 适用于中断传送或查询式传送，可以方便地连接打印机等需要握手协议的设备。

方式选择控制字格式（必须掌握）：
这是一个8位的命令字。

text

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

• D7：特征位，固定为 1。表示这是一个设置工作方式的控制字。

• D6, D5：设置A组（PA口和PC口高4位）的工作方式。

  • 00 - 方式0

  • 01 - 方式1

  • 1x - 方式2（双向总线方式，不常用）

• D4：设置PA口（A组）的方向。1=输入，0=输出。

• D3：设置PC口高4位（PC7-PC4）的方向。1=输入，0=输出。

• D2：设置B组（PB口和PC口低4位）的工作方式。0=方式0，1=方式1。

• D1：设置PB口（B组）的方向。1=输入，0=输出。

• D0：设置PC口低4位（PC3-PC0）的方向。1=输入，0=输出。

举例（考试常考）：
要求8255A工作在方式0，PA口输出，PB口输入，PC口高4位输出，PC口低4位输入。求控制字。

1. D7 = 1（特征位）

2. A组方式0：D6D5 = 0 0

3. PA口输出：D4 = 0

4. PC高4位输出：D3 = 0

5. B组方式0：D2 = 0

6. PB口输入：D1 = 1

7. PC低4位输入：D0 = 1
   最终控制字二进制为：1000 0011B，即 83H。

**可编程并行扩展总结（考试要点）：

• 核心思想：使用8255A等可编程芯片，通过软件写入控制字来灵活配置端口功能。

• 优点：功能强大灵活（可配输入/输出/中断）、一个芯片解决多路扩展、节省单片机I/O资源（使用系统总线）。

• 缺点：成本高、电路复杂、软件编程复杂（需初始化）。

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两者对比（考试简答题/论述题必备）

对比项	简单并行扩展	可编程并行扩展（以8255A为例）
核心芯片	74HC573, 74HC244等通用逻辑芯片	8255A等专用接口芯片
编程性	不可编程，功能硬件固定	可编程，功能由软件决定
灵活性	差，一旦电路做好，输入/输出功能就固定	强，可随时通过软件改变端口工作方式
功能	简单数据锁存/缓冲	支持基本I/O、选通I/O、中断等
成本与复杂度	低、简单	高、复杂
连接方式	通常直接与I/O口相连	与单片机的系统总线（数据、地址、控制）相连
适用场景	简单、固定功能的少量扩展	复杂、需要灵活配置的多功能扩展

记忆技巧：

• 简单扩展像“固定开关”，装上去是开就是开，是关就是关。

• 可编程扩展像“智能插座”，你可以用手机App随时把它设置成开关、定时器或者传感器。