8.1 单片机系统总线结构

在单片机系统中，为了实现对外部设备的有效控制与数据交换，通常采用三总线架构。该结构主要包括地址总线、数据总线和控制总线，它们共同构成了系统扩展的基础。

8.1.1 三总线体系

三总线设计将功能分离，使得系统具备良好的可扩展性：

• 地址总线：用于指定外设或存储单元的地址，决定访问目标。
• 数据总线：负责在单片机与外部设备之间传输实际的数据信息。
• 控制总线：提供读写信号（RD、WR）、片选信号等，协调操作时序。

这种结构广泛应用于多种扩展场景，尤其适合需要连接多个外围芯片的系统设计。

8.1.2 地址锁存机制及其实现

在使用如P0口这类复用总线的单片机中，地址与数据共用同一组引脚，因此必须通过地址锁存器将地址信号暂时保存下来，以确保地址稳定。

虽然本节涉及74HC373锁存器的应用原理，但相关内容暂作省略，重点聚焦于后续I/O扩展方法。

8.2 并行I/O端口的扩展技术

当单片机自身I/O资源不足时，可通过外部电路进行并行端口扩展。主要分为两类：简单并行扩展和可编程并行扩展。

8.2.1 扩展端口的软件访问方式

无论是输入还是输出设备，其扩展端口均可视为一种“外部存储单元”来处理。单片机通过特定地址对其执行读/写操作，从而完成数据交互。

简单并行I/O扩展

此方法依赖通用数字逻辑器件（如锁存器、缓冲器）来增加可用I/O数量。其特点是硬件结构固定，不具备软件配置能力，适用于功能明确且无需频繁变更的场合。

1. 输出端口扩展 —— 使用锁存器

典型芯片：74HC573（8位透明锁存器）

作用：接收来自单片机的数据，并在其控制下保持输出状态不变，为外设提供稳定的驱动信号。

工作过程：

• P0口连接至74HC573的数据输入端（D0-D7），用于传输待输出的数据。
• 单片机某一I/O引脚（例如P2.0）连接到LE（锁存使能）引脚。
• 当LE为高电平时，输出Q跟随输入D变化；当数据稳定后，将LE置低，即可锁定当前值。

连接示意图：

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

主要特点：

• 电路简洁、成本低廉、响应速度快。
• 仅支持输出功能，不可编程。
• 需占用数据总线及额外控制线，多路扩展时建议配合地址译码使用。

2. 输入端口扩展 —— 使用缓冲器（三态门）

典型芯片：74HC244（八路三态缓冲器）

作用：将外部输入信号安全地传送到数据总线上，同时在非工作状态下呈现高阻态，避免总线冲突。

工作原理：

• 外部设备（如按键阵列）连接至74HC244的A1-A8端口。
• Y1-Y8端接至单片机P0口，构成数据通路。
• OE（输出使能）由单片机控制（如P2.1），低电平有效。
• 当OE为低时，允许信号通过；为高时，输出断开，释放总线资源。

连接方式：

外设（按键/开关） ---> 74HC244 A1-A8  
单片机P0口 <---> 74HC244 Y1-Y8  
单片机P2.1 ---> 74HC244 OE（低电平有效）

核心优势：

• 实现总线分时复用，多个输入设备可共享同一数据通道。
• 仅用于输入，功能单一但可靠性高。

简单并行扩展小结（考试重点）

核心思想：利用74HC573、74HC244等标准逻辑芯片实现I/O扩展。

优点：成本低、电路简单、响应迅速。

缺点：功能固定、无法编程、多端口扩展需较多控制线，常需搭配地址译码器使用。

可编程并行I/O扩展

相较于简单扩展，此方案采用专用接口芯片，可通过软件指令灵活设定工作模式，极大提升了系统的适应性和控制能力。

典型代表芯片：Intel 8255A（可编程外设接口，PPI）

该芯片是考试中的高频考点，需熟练掌握其内部结构、端口寻址与控制字设置。

1. 内部组成结构

8255A主要由以下四部分构成：

• 数据总线缓冲器：连接单片机数据总线（D0-D7），承担数据与命令的双向传输任务。
• 读/写控制逻辑模块：接收地址线A0、A1以及控制信号RD、WR、RESET，解析操作类型。
• A组与B组控制电路：根据写入的控制字，配置各端口的工作方式。
• 三个8位I/O端口：
  • PA口：具有较强功能，包含8位输出锁存和输入锁存能力。
  • PB口：支持输入/输出锁存，另配输入缓冲。
  • PC口：可整体使用，也可拆分为两个4位口；还可作为PA/PB口的控制或状态信号线。

2. 端口寻址与基本操作

通过A1和A0两条地址线选择不同的寄存器或端口：

A1	A0	选中对象
0	0	PA口
0	1	PB口
1	0	PC口
1	1	控制寄存器

操作说明：

• 对PA、PB、PC执行“写”操作 → 向外部输出数据。
• 对PA、PB、PC执行“读”操作 → 从外部读取输入数据。
• 向控制寄存器“写”操作 → 写入控制字，设定芯片工作模式。

3. 工作方式与控制字设置

这是8255A的核心功能，也是考核的重点内容。

主要工作方式：

方式0 —— 基本输入/输出模式

• PA、PB、PC均可独立配置为输入或输出。
• 输出端带有锁存功能，输入端在方式0下不锁存（PC口例外）。
• 适用于无条件传送或查询方式通信。

方式1 —— 选通输入/输出模式

• PA和PB作为数据端口使用。
• PC的部分引脚被强制定义为PA和PB的握手信号线（如STB、IBF、ACK等）。
• 支持中断请求，提高数据传输效率。

两种方式通过写入“方式选择控制字”来设定，具体格式需结合实际应用掌握。

适用于中断传输或查询方式传输，能够便捷地连接打印机等需采用握手协议的外部设备。

方式选择控制字格式（必须掌握）：

该控制字为一个8位命令字，其结构如下：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

• D7：特征位，固定为1，用于标识此为工作方式设置控制字。
• D6、D5：设定A组（包括PA口及PC口高4位）的工作模式：
  • 00 —— 方式0
  • 01 —— 方式1
  • 1x —— 方式2（双向总线方式，使用较少）
• D4：设定PA口（属于A组）的数据方向。1表示输入，0表示输出。
• D3：设定PC口高4位（PC7～PC4）的方向。1为输入，0为输出。
• D2：设定B组（包含PB口和PC口低4位）的工作方式。0代表方式0，1代表方式1。
• D1：设定PB口（B组）的方向。1表示输入，0表示输出。
• D0：设定PC口低4位（PC3～PC0）的方向。1为输入，0为输出。

示例（考试常见题型）：

设要求8255A工作于方式0，其中：

• PA口作为输出
• PB口作为输入
• PC口高4位为输出
• PC口低4位为输入

则控制字各位取值如下：

• D7 = 1（特征位）
• A组工作在方式0 → D6D5 = 00
• PA输出 → D4 = 0
• PC高4位输出 → D3 = 0
• B组方式0 → D2 = 0
• PB输入 → D1 = 1
• PC低4位输入 → D0 = 1

因此，得到的二进制控制字为：1000 0011B，对应十六进制为83H。

可编程并行扩展总结（考试重点）

核心思想：利用如8255A之类的可编程接口芯片，通过软件写入控制字来动态配置各端口的功能，实现灵活的I/O扩展。

优点：

• 功能强大且灵活，支持输入、输出及中断等多种模式
• 单芯片可完成多路端口扩展
• 节省单片机本身的I/O资源，借助系统总线进行连接

缺点：

• 硬件成本较高
• 电路设计相对复杂
• 需要编写初始化程序，软件开发难度较大

两种扩展方式对比（考试简答/论述必背）

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等通用逻辑器件	8255A等专用可编程接口芯片
编程性	不可编程，功能由硬件决定	可编程，功能由软件配置
灵活性	较差，电路确定后I/O方向即固定	强，可通过程序随时更改端口工作模式
功能	仅支持基本的数据锁存或缓冲	支持基本I/O、选通I/O、中断等功能
成本与复杂度	低成本、电路简单	高成本、电路较复杂
连接方式	通常直接连接至单片机I/O口	连接至单片机的系统总线（数据、地址、控制线）
适用场景	适用于功能简单、固定的少量扩展需求	适用于功能复杂、需灵活配置的多功能扩展应用

记忆技巧：

• 简单扩展 类似“固定开关”，安装后状态无法更改，开就是开，关就是关。
• 可编程扩展 类似“智能插座”，可通过软件（如手机App）随时设定为开关、定时器或传感器模式，具备高度灵活性。