摘 要： 由于在MCS-51單片機開發中P0口經常作為地址/數據復用總線使用，P2口作為高8位地址線使用，P3口用作第二功能(定時計數器、中斷等)使用，所以對于51單片機的4個I/O口，其可以作為基本并行輸入/輸出口使用的只有P1口。因此在單片機的開發中，對于并行I/O口的擴展十分重要，主要分析3種擴展并行I/O口的方法。
關鍵詞： MCS-51單片機; 并行I/O口; 擴展
MCS-51單片機有4個并行的I/O口，分別為P0口、P1口、P2口和P3口，4個并行I/O口在單片機的使用中非常重要，可以說對單片機的使用就是對這4個口的使用。這4個并行I/O口除了作為基本的并行I/O口使用，還常作為其他功能使用，如P0口經常作為地址/數據復用總線使用[1]， P2口作為高8位地址線使用，P3口用作第二功能(定時計數器、中斷等等)使用。這樣，單片機只有P1口作為基本的并行I/O口使用，如果在單片機的使用中對并行I/O口需求較多，對于并行I/O口的擴展就非常重要了。下面通過具體的實例(8位流水燈設計)來給出幾種不同的并行I/O口擴展方法。
為了更好地說明以下幾種不同的并行I/O口擴展方法，假設利用單片機實現流水燈的設計。采用單片機的P1口設計流水燈，電路如圖1所示。
由圖1可知，8只LED直接連接在單片機的P1口上，通過對單片機進行編程即可以實現8只發光二極管產生流水燈。
1 使用單片機的串行口擴展并行I/O口
單片機有一個全雙工的串行口[2]，這個口既可以用于網絡通信，也可以實現串行異步通信，還可以作為移位寄存器使用。當單片機的串行口工作在模式0時，若外接一個串入/并出的移位寄存器(74LS164)，就可以擴展一個8 bit并行輸出口；若外接一個并入/串出的移位寄存器(74LS165)，就可以擴展一個8 bit并行輸入口。如圖2所示，單片機外接一個串入/并出的移位寄存器(74LS164)，這樣就可以擴展8 bit并行輸出口。
當單片機的串行口工作在模式0(作為移位寄存器使用)時需要注意：單片機原來的串行通信引腳RXD和TXD在這種工作方式下給出新的定義，原來用于串行接收數據的引腳RXD在這種工作模式下既可以接收也可以發送數據; 原來的串行發送引腳TXD在這種工作模式下則作為移位寄存器的脈沖輸入端使用(通常接時鐘端)。
單片機和串入/并出移位寄存器74LS164的連接：單片機的串行通信接收引腳RXD連接到串入/并出移位寄存器74LS164的輸入引腳；單片機的串行通信發送引腳TXD連接到串入/并出移位寄存器74LS164的脈沖輸入端；串入/并出移位寄存器74LS164的輸出引腳連接8只發光二極管。這樣,選擇單片機的串行口工作模式0，通過通信引腳RXD發送實現流水燈的串行數據,然后通過74LS164轉換成并行數據后傳送給發光二極管，即可實現流水燈。這里需要注意74LS164數據的轉換時間問題。
從圖2可以看出，同樣設計一個8位流水燈，采用上述方法只需要使用單片機的兩個串行通信引腳RXD和TXD就可以完成。此時,對于P3口的其他位可以作為第二功能使用(定時、中斷等)。
2 使用8255A(或8155)擴展并行I/O口
可編程并行接口芯片8255A[3]有3個并行的I/O口，分別為PA、PB和PC，這3個并行I/O口都可以通過編程決定它們的工作情況。8255A與單片機的連接如圖3所示。
從圖3中可以看出單片機與8255A的連接情況，利用單片機的P0口來分時傳送地址和數據：P0口與8255A的8 bit數據線連接，用來傳送數據和8255A的編程控制字；P0口連接地址鎖存器74LS373輸入端，74LS373的輸出端連接8255A 的地址線A0、A1和片選信號CS。通過A0、A1(即P0.0、P0.1)的4種不同組合(00~11)選擇8255的3個并行的I/O口之一和控制口。這樣，通過對單片機和8255A編程，即可實現流水燈。
從圖3可知,利用這種方法擴展I/O口一次可以擴展3個并行的I/O口。
同樣,也可以使用可編程并行接口芯片8155來進行并行I/O口的擴展。8155有兩個8 bit和一個6 bit的并行I/O口,同時它還有256 B的靜態RAM和一個14 bit的計數器。
3 使用芯片74LS138擴展并行I/O口
74LS138 為3 線~8 線譯碼器，可將地址輸入端(A、B、C)的二進制編碼在輸出端Y0~Y7對應地以低電平譯出。比如：ABC=110時,則Y6輸出端輸出低電平信號。74LS138與單片機的連接如圖4所示。
圖4中，單片機的引腳P2.5、P2.6和P2.7分別連接74LS138的3個輸入端A、B和C，74LS138的8個不同的輸出端Y0~Y7分別連接8只發光二極管。這樣，A、B和C的8種不同組合(000~111)分別選擇74LS138的8個不同的輸出端Y0~Y7， 即可實現流水燈。
4 幾種擴展并行I/O口方法比較
使用單片機的串行口擴展并行I/O口時，單片機與串入/并出的移位寄存器(74LS164)連接比較簡單，只需連接串行發送或接收引腳和移位脈沖引腳即可。但是這種擴展方法只能擴展一個8 bit并行I/O口，若需擴展更多的并行I/O口時就需要更多的移位寄存器芯片；在使用這種方法擴展并行I/O口時，需要了解串入/并出移位寄存器74LS164和并入/串出移位寄存器74LS165芯片的工作原理，還需要了解單片機的串行工作方式0工作模式。同時，如果單片機工作時需要進行串行通信，則這種方法就不能使用了。
使用并行接口芯片8255A擴展并行I/O口時，單片機與8255A的連接比較復雜，需要考慮數據線、地址線和控制線之間的連接，同時需要根據地址線的連接情況給出8255A各個并行I/O口的正確地址及8255A控制口的地址。另外，需要對8255A的編程控制字的定義及寫入方法有很好的了解。但是這種擴展方法可以同時擴展3個8 bit并行I/O口，在需要擴展多個并行I/O口時此種方法比較好。
使用芯片74LS138擴展并行I/O口時，單片機與74LS138的連接比較簡單，只需連接3個引腳即可。這種擴展方法也只能擴展一個8 bit并行I/O口，若需擴展更多的并行I/O口就需要更多的3線~8線芯片。但是，如果在單片機擴展其他的芯片時不需要使用高位的3根地址線(即P2.5~P2.7)，則這種方法就能很好地把這3根地址線利用起來。
參考文獻
[1] 李朝青， 劉艷玲. 單片機原理及接口技術(第4版)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2013.
[2] 梅麗鳳.單片機原理及接口技術(修訂本)[M].北京：清華大學出版社，2011.
[3] 胡漢才. 單片機原理及其接口技術[M]. 北京：清華大學 出版社，2010.