单片机控制技术及应用：并行I/O接口扩展基础知识

1.I/O接口电路的功能

外部设备的速度十分复杂，必须通过I/O接口电路实现。

（1）速度协调

面对各种设备的速度差异，单片机无法按固定的时序以同步方式进行I/O操作，只能以异步方式进行，也就是只有在确认设备已为数据传送做好准备的前提下才能进行I/O操作。为此需要接口电路产生状态信号或中断请求信号，表明设备是否做好准备。即通过接口电路来进行单片机与外部设备之间的速度协调。

（2）输出数据锁存

由于CPU与外设速度的不一致，需要有接口电路把输出数据先锁存起来，待输出设备为接收数据做好准备后，再传送数据。这就是接口电路的数据锁存功能。

（3）数据总线隔离

总线上可能连接着多个数据源（输入设备）和多个数据负载（输出设备）。一个源和负载的数据传送正在进行时，所有其他不参与的设备在电性能上必须与总线隔开。这就是接口电路的总线隔离功能。

为了实现总线隔离，需要有接口电路提供具有三态缓冲功能的三态缓冲电路。

（4）数据转换

外部设备种类繁多，不同设备之间的性能差异很大，信号形式也多种多样。单片机只能使用数字信号，如果外部设备所提供或需要的不是电压形式的数字信号，就需要有接口电路进行转换，其中包括A-D转换和D-A转换等。

（5）增强驱动能力

通过接口电路为输出数据提供足够的驱动功率，以保证外部设备能正常、平稳地工作。

2.I/O接口的特点

外部设备和I/O操作的复杂性，使接口电路成为单片机与外部设备之间必不可少的界面，通过接口电路居中协调和控制，保证外部设备的正常工作。有关I/O接口的特点可归结为如下3点：

（1）异步性

平时单片机与外部设备按各自的时序并行工作，只有在需要时外部设备才通过接口电路接受单片机的控制。

（2）实时性

单片机对外部设备的控制以查询或中断方式进行，以便最大限度地实现控制的实时化。

（3）与设备无关性(www.xing528.com)

接口芯片不一定是专用的，同一个接口芯片通过软件设置可为多种设备实现接口。

3.接口的分类

按数据传输方式的不同，接口有并行与串行之分，即并行接口与串行接口。

本章重点介绍的是并行接口。

4.I/O编址技术

为了对I/O接口电路中的寄存器（端口）进行读/写操作，就需要对它们进行编址，所以就出现了I/O编址问题。有两种I/O编址方式：统一编址方式和独立编址方式。在80C51单片机系统中，采用统一编址方式。

所谓统一编址方式，就是把I/O接口中的寄存器与外扩展的数据存储器中的存储单元同等对待，合在一起使用同一个64KB的外扩展地址空间。I/O和存储器的统一编址，使得I/O口也采用16位地址编址，并使用数据存储器读/写指令进行I/O操作，而不需要专门的I/O指令。80C51单片机系统中，采用统一编址方式。

所谓独立编址方式，就是把I/O与存储器分开进行编址。这样，在一个单片机系统中就形成了两个独立的地址空间：存储器地址空间和I/O地址空间。

独立编址方式的优点是两个地址空间相互独立、界限分明，但同时也存在许多麻烦并增加系统开销，所以独立编址方式在单片机中较少采用。

5.单片机I/O控制方式

（1）无条件方式

无条件传送也称为同步程序传送。只有那些能一直为I/O操作做好准备的设备，才能使用无条件传送方式。在进行无条件I/O操作时，无需测试设备的状态，可以根据需要随时进行I/O操作。

无条件传送适用于两类设备的I/O操作：一类是具有常驻的或变化缓慢的数据信号的设备，如机械开关、指示灯、发光二极管、数码管等；另一类则是工作速度非常快，足以和单片机同步工作的设备，如D-A转换器（D-AC）。

（2）查询方式

查询方式又称有条件传送方式，在I/O操作前，要检测设备的状态，只有在确认设备已“准备好”的情况下，单片机才能执行I/O操作。检测也称为“查询”，所以就把这种有条件的I/O控制方式称为查询方式。

为实现查询方式的I/O控制，需要由接口电路提供设备状态，接口电路中的状态寄存器或状态位就是为此而准备的，查询方式只适用于规模比较小的单片机系统。

（3）中断方式

中断方式与查询方式的主要区别在于如何知道外部设备是否为I/O操作做好准备。采用中断方式进行I/O控制时，当设备做好准备之后，就向单片机发出中断请求。单片机接收到中断请求之后作出响应，暂停正在执行的原程序，而转去执行中断服务程序，通过执行中断服务程序完成一次I/O操作，然后程序返回，单片机再继续执行被中断的原程序。

中断方式效率较高，所以在单片机系统中被广泛采用。但中断请求是一种不可预知的随机事件，所以实现起来对单片机系统的硬件和软件都有较高的要求。