第9章 单片机系统扩展及接口

第九章复习思考题1. 计算机系统中为什么要设置输入输出接口输入/输出接口电路是CPU与外设进行数据传输的桥梁。

外设输入给CPU的数据，首先由外设传递到输入接口电路，再由CPU从接口获取；而CPU输出到外设的数据，先由CPU 输出到接口电路，然后与接口相接的外设获得数据。

CPU与外设之间的信息交换，实际上是与I/O接口电路之间的信息交换。

2. 简述输入输出接口的作用。

I/O接口电路的作用主要体现在以下几个方面：（1）实现单片机与外设之间的速度匹配；（2）实现输出数据锁存；（3）实现输入数据三态缓冲；（4）实现数据格式转换。

3. 在计算机系统中，CPU与输入输出接口之间传输数据的控制方式有哪几种各有什么特点在计算机系统中，CPU与I/O接口之间传输数据有3种控制方式：无条件方式，条件方式，中断方式，直接存储器存取方式。

在无条件方式下，只要CPU执行输入/输出指令，I/O接口就已经为数据交换做好了准备，也就是在输入数据时，外设传输的数据已经传送至输入接口，数据已经在输入接口端准备好；输出数据时，外设已经把上一次输出的数据取走，输出接口已经准备好接收新的数据。

条件控制方式也称为查询方式。

CPU进行数据传输时，先读接口的状态信息，根据状态信息判断接口是否准备好，如果没有准备就绪，CPU将继续查询接口状态，直到其准备好后才进行数据传输。

在中断控制方式下，当接口准备好数据传输时向CPU提出中断请求，如果满足中断响应条件，CPU则响应，这时CPU才暂时停止执行正在执行的程序，转去执行中断处理程序进行数据传输。

传输完数据后，返回原来的程序继续执行。

直接存储器存取方式即DMA方式，它由硬件完成数据交换，不需要CPU的介入，由DMA 控制器控制，使数据在存储器与外设之间直接传送。

4. 采用74LS273和74LS244为8051单片机扩展8路输入和8路输出接口，设外设8个按钮开关和8个LED，每个按钮控制1个LED，设计接口电路并编制检测控制程序。

《单片机原理及接口技术》（第2版）人民邮电出版社第9章 AT89S51单片机的I/O扩展思考题及习题91．I/O接口和I/O端口有什么区别？I/O接口的功能是什么？答：I/O端口简称I/O口，常指I/O接口电路中具有端口地址的寄存器或缓冲器。

I/O接口是指单片机与外设间的I/O接口芯片；I/O接口功能：(1) 实现和不同外设的速度匹配；(2) 输出数据缓存；(3) 输入数据三态缓冲。

2．I/O数据传送由哪几种传送方式？分别在哪些场合下使用？答：3种传送方式： (1) 同步传送方式：同步传送又称为有条件传送。

当外设速度可与单片机速度相比拟时，常常采用同步传送方式。

(2) 查询传送方式：查询传送方式又称为有条件传送，也称异步传送。

单片机通过查询得知外设准备好后，再进行数据传送。

异步传送的优点是通用性好，硬件连线和查询程序十分简单，但是效率不高。

(3) 中断传送方式：中断传送方式是利用AT89S51本身的中断功能和I/O接口的中断功能来实现I./O数据的传送。

单片机只有在外设准备好后，发出数据传送请求，才中断主程序，而进入与外设进行数据传送的中断服务程序，进行数据的传送。

中断服务完成后又返回主程序继续执行。

因此，中断方式可大大提高工作效率。

3．AT89S51单片机对扩展的I/O口芯片的基本要求是：输出应具有功能；输入应具有功能；答：数据锁存，三态缓冲4．常用的I/O端口编址有哪两种方式？它们各有什么特点？AT89S51单片机的I/O端口编址采用的是哪种方式？答：两种。

(1) 独立编址方式：独立编址方式就是I/O地址空间和存储器地址空间分开编址。

独立编址的优点是I/O地址空间和存储器地址空间相互独立，界限分明。

但却需要设置一套专门的读写I/O的指令和控制信号。

(2) 统一编址方式：这种方式是把I/O端口的寄存器与数据存储器单元同等对待，统一进行编址。

统一编址的优点是不需要专门的I/O指令，直接使用访问数据存储器的指令进行I/O操作。

MCS-51与键盘、显示器的接口设计9.1LED显示器接口原理9.2 键盘接口原理9.1 LED显示器接口原理单片机应用系统中使用的显示器主要有:⏹发光二极管显示器，简称LED(Light Emitting Diode)；⏹液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)；⏹CRT显示器LED 数码管的结构：①共阳与共阴＠单片机系统扩展LED 数码管时多用共阳LED:0”)点亮的,要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平(“0”)点亮的，要求驱动功率较大。

公共阳极h g f e d c b aa b c dg ef h公共阴极h g f e d c b aa b c dg ef hh g f …… a h g f …… a高电平点亮低电平点亮接高电平LED 显示器结构和字段码关系D7D6D5D4D3D2D1D0dp g f e d c b a当LED 显示器与单片机连接时，一般是将LED 各发光二极管的引脚a 、b 、…g 、dp 顺序接到单片机的一个并行I/O 口上。

共阳LEDa b cdg ef hP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7+5VAT89C51显示字形dp g f e d c b a共阳极段选码共阴极段选码0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F “灭”1100000011111001101001001011000010011010100100101000001011111000100000001001000010001000100000111100011010100001100001101000111011111111C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90H88H83HC6HA1H86H8EHFFH3FH06H5BH4FH06H6DH7DH07H7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H00H 共阴极和共阳极7段LED段选码(字型码)二、LED显示器工作原理⏹在微机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。

第九章复习思考题1. 计算机系统中为什么要设置输入输出接口?输入/输出接口电路是CPU与外设进行数据传输的桥梁.外设输入给CPU的数据，首先由外设传递到输入接口电路，再由CPU从接口获取；而CPU输出到外设的数据，先由CPU 输出到接口电路，然后与接口相接的外设获得数据。

CPU与外设之间的信息交换，实际上是与I/O接口电路之间的信息交换.2。

简述输入输出接口的作用。

I/O接口电路的作用主要体现在以下几个方面：(1）实现单片机与外设之间的速度匹配；(2）实现输出数据锁存；（3）实现输入数据三态缓冲；（4)实现数据格式转换。

3. 在计算机系统中,CPU与输入输出接口之间传输数据的控制方式有哪几种？各有什么特点？在计算机系统中，CPU与I/O接口之间传输数据有3种控制方式：无条件方式，条件方式，中断方式,直接存储器存取方式。

在无条件方式下,只要CPU执行输入/输出指令，I/O接口就已经为数据交换做好了准备，也就是在输入数据时,外设传输的数据已经传送至输入接口，数据已经在输入接口端准备好;输出数据时，外设已经把上一次输出的数据取走，输出接口已经准备好接收新的数据.条件控制方式也称为查询方式。

CPU进行数据传输时，先读接口的状态信息，根据状态信息判断接口是否准备好,如果没有准备就绪，CPU将继续查询接口状态，直到其准备好后才进行数据传输.在中断控制方式下，当接口准备好数据传输时向CPU提出中断请求，如果满足中断响应条件,CPU则响应,这时CPU才暂时停止执行正在执行的程序，转去执行中断处理程序进行数据传输.传输完数据后,返回原来的程序继续执行.直接存储器存取方式即DMA方式，它由硬件完成数据交换，不需要CPU的介入,由DMA 控制器控制，使数据在存储器与外设之间直接传送.4. 采用74LS273和74LS244为8051单片机扩展8路输入和8路输出接口，设外设8个按钮开关和8个LED，每个按钮控制1个LED，设计接口电路并编制检测控制程序.80C51图9。

单片机系统扩展接口的电平转换COMS工艺芯片使用愈来愈广泛，因此，在单片机系统中常常会遇到COMS线路的接口设计。

目前大多数半导体厂商所生产的大规模集成电路不仅可以与通用的CPU、单片机接口兼容，而且也可与常用逻辑电路TTL和COMS接口兼容。

但是在单片机应用系统中，会遇到一些TTL和COMS的接口问题。

一、TTL电路与COMS电路的逻辑电平无论是TTL电路和COMS逻辑电路，其逻辑电平有输入逻辑电平（U IH、U IL）和输出逻辑电平（U OH、U OL）。

U OH：为逻辑电平1的输出电压。

输出电流I OH愈大，输出电压愈低。

U OL：为逻辑电平0的输出电压。

输出电流I OL表示。

U IH：为逻辑电平1的输入电压。

其输入电流用I IH表示。

电路接收这个输入电压时，必须保证该电路为逻辑1状态。

对于大多数TTL电路来说，输入电流为100uA时。

通常把100uA的输入电流作为一个TTL负载的输入电流。

如果一个TTL电路消耗电流为200uA时，则认为是两个TTL负载。

对于COMS电路来说，由于输入阻抗很高，I IH电流几乎为零。

V IL：为逻辑电平0的输入电压，相应的输入电流为I IL，同样，对于COMS电路，I IL实际上等于零。

对于TTL电路，这些临界值为：输出高电平U OH min = 2.4V，输出低电平U OL max = 0.4V输入高电平U IH min = 2.0V，输入低电平U IL max = 0.8V其噪声容限对于逻辑1和逻辑0皆相同为0.4V，但实际中并不一定相等。

对于COMS电路，如电源电压是+5V，其临界界为：输出高电平U OH main = 4.99V，输出低电平U OL max =0.01V输入高电平U IH min = 3.50V，输入低电平U IL max = 1.50VCMOS电平Vcc可达到12V，CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为0.1Vcc。

单片机应用系统开发的一般方法单片机应用系统是为完成某项任务而研制开发的用户系统，虽然每个系统都有很强的针对性，结构和功能各异，但其开发过程和方法大致相同。

这里介绍单片机应用系统开发的一般方法和步骤.1.确定任务单片机应用系统的开发过程由确定系统的功能与性能指标开始。

首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务与要求，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标。

2.总体设计在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的各项技术性能指标，拟订出性价比最高的一套方案。

总体设计最重要的问题包括以下三个方面：（1）机型选择根据系统的功能目标、复杂程度、可靠性要求、精度和速度要求来选择性能/价格比合理的单片机机型。

目前单片机种类、机型多，有8位、16位、32位机等，片内的集成度各不相同，有的机型在片内集成了WDT、PWM、串行EEPROM 、A/D、比较器等多种功能以及提供UART、I2C、SPI协议的串行接口，最大工作频率也从早期的0~12MHz增至33~40MHz。

在进行机型选择时应考虑：①所选机型性能应符合系统总体要求，且留有余地，以备后期更新。

②开发方便，具有良好的开发工具和开发环境。

③市场货源（包括外部扩展器件）在较长时间内充分。

④设计人员对机型的开发技术熟悉，以利缩短研制周期。

（2）系统配置选定机型后，再选择系统中要用到的其他外围元器件，如传感器、执行器件、人机接口、存储器等。

整个系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配，例如，选用晶振频率较高时，存储器的存取时间就短，应选择存取速度较快的芯片；选择CMOS型单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗产品。

如果系统中相关器件性能差异很大，系统综合性能将降低，甚至不能正常工作。

（3）软硬件分工在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。

原则上，能够由软件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构，提高可靠性，但是可能会降低系统的工作速度。