自該技術問世以來，微控制器 （MCU） 的一個標志性功能就是在 IC 上集成 I/O 端口。通用 I/O 具有多種功能，從簡單連接到開關和指示器到用作關鍵任務中斷處理的觸發器。然而，隨著 IC 封裝越來越小、引腳越來越少的趨勢，有時您可能會遇到應用程序中所需的 I/O 端口數量不足的情況。I/O 端口擴展器 IC 是在基于 MCU 的設計中增加靈活性的寶貴工具。一些 IC 連接到集成 I/O 線路。其他的可以連接串行接口，例如 Inter IC （I2C）。如果您缺少 I/O 線或需要在系統中分配 I/O，則可能有一種設計可以滿足您的需求。讓‘

　　我們將首先討論您可能需要 I/O 端口擴展器的原因。總是有一個簡單的解決方案，即選擇具有更多 I/O 端口的不同 MCU，但這可能不是最佳選擇。通過將微型 MCU 與端口擴展器 IC 相結合，您可以實現更小尺寸、更低成本和更低功耗的設計。此外，當今大多數 MCU 將多種功能分配給許多引腳，以盡量減少 IC 占用空間。您可能無法訪問集成在 MCU 中的 I/O，因為您需要該引腳用于另一個外設。在某些應用中，您可能需要遠離 MCU、靠近與現實世界的物理接口的 I/O 集群。

　　I/O 擴展器肯定派上用場的一個地方是與引腳很少的非常小的 MCU 并駕齊驅。例如，一些PIC12F 系列中的Microchip 8 位 MCU 采用 8 引腳封裝。具體來說，我們將討論PIC12F1822。8 引腳 MCU 僅包含 6 條 I/O 線，由于引腳與其他外設共享，因此大多數設計無法將所有這些引腳用于通用 I/O。MCU 還包括一個 A/D 轉換器和兩個定時器。

　　I2C 和 SPI 擴展器

　　PIC12F1822 還包括一個數字接口，可用于支持 I2C 或串行外設接口 （SPI）。兩者均可用于連接多個片外外圍設備，包括串行存儲器和通過 I/O 端口擴展器的附加 I/O。

　　Microchip 提供了許多可與 PIC12F1822 一起使用的擴展器 IC。例如，MCP23018I2C（圖 1）基于 I2C，包括 16 條通用 I/O 線，可作為 16 位端口無縫讀寫。串行鏈路可以以 3.4 Mbits/s 的速度傳輸數據。這可能看起來并不快，但對于大多數 I/O 操作來說已經足夠了，因為 CPU 時鐘將以 32 MHz 或更慢的速度運行。

　　圖 1：Microchip MCP32018 和 MCP23S18 I/O 端口擴展器 IC 分別使用 I2C 和 SPI 接口，將 16 個通用 I/O 端口添加到 MCU 的片上 I/O 分配中。

　　如果您仔細查看圖 1 中的框圖，您會注意到第二個虛線選項——依賴 SPI 而不是 I2C的MCP23S18 。SPI 鏈路以 10 Mbits/s 的速度運行得更快。您可以選擇 I2C 或 SPI 還有其他原因，其中一個重要原因可能是您的應用程序中需要的其他外設以及這些外設支持的串行標準。

　　Microchip 提供其他 I/O 擴展器，包括 8 位版本。該公司還提供集成額外外圍設備的擴展器，例如額外的數據轉換器和定時器。

　　通過一根 I/O 線進行擴展

　　讓我們繼續討論德州儀器（TI） 的一種新擴展方法，該方法使用更簡單的接口。TI 提供依賴于 I2C 和系統管理總線 （SMBus） 的擴展器 IC，但新的 TI TCA5405依賴于一條 MCU 通用 I/O 線來提供五個 I/O 引腳（圖 2）。

　　圖 2：德州儀器開發了一種自定時單線 （STSW） 接口，允許工程師使用單個 MCU I/O 添加 5 個 I/O 端口來連接擴展器。

　　TCA5405 使用 TI 所謂的 STSW（自定時單線）接口，需要單線和接地。相比之下，SPI 至少需要三根電線，而 I2C 需要電線，盡管其中兩根是參考電壓和接地。

　　連接到 TCA5405 的主控 MCU 必須生成一個主控時鐘，以便擴展器在設置期間進行采樣，然后生成與主控同步的自己的時鐘。TI 沒有定義 STSW 接口的最大數據速率，但規格表定義了 10 kHz 的 TCA5405 的最大輸入開關頻率。

　　I/O 端口特性

　　端口擴展器還有許多其他特性可能會影響您為應用程序選擇的產品。例如，TCA5405 依賴于推挽式 I/O。TI 表示，推挽式設計允許擴展器以低于 20 mA 的電流驅動便攜式應用中的 LED。

　　當然，只有當電源電壓大于 LED 的正向電壓時，擴展器才能完成這樣的任務。TI 規定的電源電壓范圍為 1.65 至 3.6 V，驅動 LED 的設計將處于該范圍的高端。

　　前面討論的 Microchip 擴展器使用開漏輸出。這種配置很有用，因為 IC 通常吸收的電流比它們可以提供的電流多。此外，MCU 和 I/O 擴展器 IC 都可以在低于為外部組件供電所需的電源電壓下運行。例如，在 LED 的情況下，即使擴展器在較低電壓下運行并提供相應的節能效果，開漏輸出也可以通過被上拉至 5 V 的 LED 吸收驅動電流。

　　鑒于許多 IC 制造商提供種類繁多的 I/O 擴展器，最后一個主題是您是否可以使用一個供應商的 MCU 和第二個供應商的擴展器 IC。一般來說，答案是肯定的。但是，這可能需要一些努力。例如，您必須對來自其他供應商的 MCU 進行編程，才能為 TI STSW 接口提供必要的時序。相反，期望 TI 在其工具庫中支持該接口，用于許多 MCU，甚至可能是其他 DSP 或微處理器。基于 SPI 等標準的擴展器應該更易于跨公司使用。

　　下次當您遇到想要使用的 MCU 與 I/O 要求不匹配時，請確保在簡單地選擇可能使用更多功率和更高成本的更大 MCU 之前考慮使用擴展器 IC。此外，看看分配 I/O 是否更有意義，因為使用擴展器可以將 I/O 定位在物理接口上。您可能會發現絕對簡單的擴展器是您工具箱中很有價值的一部分。