第六单元 外部数据存储器空间及系统扩展

1、第六单元第六单元 外部数据存储器空间外部数据存储器空间及系统扩展及系统扩展本单元学习要点本单元学习要点外部数据存储器空间及在系统扩展时的空间分配。外部数据存储器空间及在系统扩展时的空间分配。数据存储器与单片机的接口方法。数据存储器与单片机的接口方法。并行接口芯片（并行接口芯片（8255A）与单片机的接口方法。）与单片机的接口方法。数模转换器（数模转换器（DAC0832）与单片机的接口方法。）与单片机的接口方法。模数转换器（模数转换器（ADC0809）与单片机的接口方法。）与单片机的接口方法。外部数据存储器空间与总线外部数据存储器空间与总线 16位地址线的外部数据存储器空间有位地址线的外部数据存

2、储器空间有64 kB 89C52通过通过P0口（作为数据和低口（作为数据和低8位地址总位地址总线）、线）、P2口（作为高口（作为高8位地址总线）和位地址总线）和P3口中的和以及口中的和以及ALE信号可以访问信号可以访问64 kB的外的外部数据存储器空间。部数据存储器空间。 地址编码规则：地址编码规则：每个存储单元至少有一个地址。每个存储单元至少有一个地址。 每个地址只能对应一个存储单元。每个地址只能对应一个存储单元。 外部数据存储器空间与总线外部数据存储器空间与总线 外部数据存储器的地址由外部数据存储器的地址由16位二进制来表示：位二进制来表示：A15 A14 A13 A12 A11 A10

3、A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 外接外接64kB（65536字节）数据存储器。字节）数据存储器。 使用全部地址线使用全部地址线 如果外接数据存储器的单元个数少于如果外接数据存储器的单元个数少于64kB，但，但大于大于32kB。 使用全部地址线使用全部地址线 外接数据存储器的单元个数等于或少于外接数据存储器的单元个数等于或少于32kB。 可空余部分地址线（空高位时地址连续，空低位时可空余部分地址线（空高位时地址连续，空低位时地址地址不连续（不推荐使用）（不推荐使用） 每个单元可能有多个地址每个单元可能有多个地址I/OI/O口线与总线口线与总线 I/O口线（口线（Inp

4、ut/Output Port ）信号在口线上要保持一定的时间不变：输信号在口线上要保持一定的时间不变：输出最短为一个机器周期时间。出最短为一个机器周期时间。 与外设相连的口线在每一时刻可为输入状与外设相连的口线在每一时刻可为输入状态或输出状态态或输出状态与多个外设相连的口线，线上只能有一个与多个外设相连的口线，线上只能有一个输出设备（讲者），其他设备有一个可为输出设备（讲者），其他设备有一个可为输入状态（听者），剩余设备为输入状态（听者），剩余设备为“高阻高阻”状态状态I/OI/O口线与总线口线与总线总线（总线（BUSDB，AB，CB ） 总线上的外设接口必须是三态门总线上的外设接口必须是三态

5、门 总线上只能由一个设备输出，其他除接收设总线上只能由一个设备输出，其他除接收设备外，均为备外，均为“高阻态高阻态”总线上数据传送的特点：总线上数据传送的特点：单片机是总线的控制者。单片机通过地址总单片机是总线的控制者。单片机通过地址总线选择欲通过数据总线交换数据的器件。线选择欲通过数据总线交换数据的器件。单片机通过单片机通过“ ”和和“ ”两根控制信号两根控制信号确定总线上数据的流向和数据在总线上出现确定总线上数据的流向和数据在总线上出现的时刻。的时刻。总线上数据只能在单片机与外设之间交换，总线上数据只能在单片机与外设之间交换，而不能在两个外设之间直接交换。而不能在两个外设之间直接交换。RD

6、WR通过数据存储器空间的外设扩展通过数据存储器空间的外设扩展 扩展扩展I/O口线、口线、A/DC（模数转换器）和（模数转换器）和D/AC（数模转换器）等等均通过外部数据（数模转换器）等等均通过外部数据存储器扩展空间实现。存储器扩展空间实现。 ADC、DAC均可视为一个外部数据存储单均可视为一个外部数据存储单元（一般只分配一个地址），其操作通过元（一般只分配一个地址），其操作通过数据读写操作完成。数据读写操作完成。 每个外设有一个片选端。可通过线选或高每个外设有一个片选端。可通过线选或高位地址译码来实现。位地址译码来实现。通过数据存储器空间的外设扩展通过数据存储器空间的外设扩展1线选：每个外设用

7、一根地址线去选择线选：每个外设用一根地址线去选择 优点：无需要任何译码器优点：无需要任何译码器 缺点：可连接的外部数据存储器有限缺点：可连接的外部数据存储器有限2高位地址译码高位地址译码 采用译码器对高位地址线译码给出外设的片选采用译码器对高位地址线译码给出外设的片选信号。信号。 通过数据存储器空间的外设扩展通过数据存储器空间的外设扩展 3/8译码器简介译码器简介6个输入端：个输入端： 片选端片选端 编码端编码端8个输出端个输出端1个电源端个电源端1个地端个地端三三-八译码器八译码器图6-2 74HC138的引脚图外部数据存储器接口外部数据存储器接口常用外部数据存储器常用外部数据存储器 单片机

8、中常用的数据存储器是静态单片机中常用的数据存储器是静态RAM存存储器（储器（SRAM） 外部数据存储器接口实例外部数据存储器接口实例 外扩二片外扩二片6264RAM 6264只有只有13根地址线，根地址线，89C52还有三根是还有三根是多余的，可采用多余的，可采用线选线选方式，亦可选择方式，亦可选择译码译码方式。方式。 地址空间地址空间并行接口芯片并行接口芯片8255A8255A 8255A有有3个并行接口，个并行接口，PA、PB和和PC。 可以通过软件编程来设置各可以通过软件编程来设置各I/O的工作方式。的工作方式。 82558255并行端口并行端口PAPA、PBPB和和PCPC都为都为8位

9、，都可被编程为输入或输出两种方式位，都可被编程为输入或输出两种方式 PA口可编程为输入口可编程为输入/输出或双向寄存器；输出或双向寄存器； PB口可编程为输入口可编程为输入/输出；输出； PC口可分为两个口可分为两个4位口使用。位口使用。 PC口还作为口还作为PA、PB口工作于选通方式时口工作于选通方式时的状态控制信号。的状态控制信号。 82558255总线接口电路总线接口电路用于实现用于实现8255A与单片机芯片的信号连接与单片机芯片的信号连接 数据总线缓冲器数据总线缓冲器：直接与：直接与89C51的系统数据总线的系统数据总线相连。相连。 89C51进行进行I/O口操作的有关数据、控制字和状

10、态信息口操作的有关数据、控制字和状态信息都是通过该缓冲器进行传递的。都是通过该缓冲器进行传递的。 读读/写控制逻辑写控制逻辑 ：RESET：复位信号，输入，高电平有效（复位：复位信号，输入，高电平有效（复位8255A，8255A中的所有寄存器被清零，所有端中的所有寄存器被清零，所有端口置为输入方式）。口置为输入方式）。 A1、A0：端口选择信号，输入，：端口选择信号，输入，8255A的的PA、PB、PC和一个控制寄存器（作为没有输入和一个控制寄存器（作为没有输入/输出的控输出的控制口），共有四个端口，根据制口），共有四个端口，根据A1和和A0输入的地址输入的地址信号来进行寻址信号来进行寻址 。

11、CSRDWR82558255总线接口电路总线接口电路A、B组控制电路组控制电路 包括包括A组控制和组控制和B组控制，合在一组控制，合在一起构成起构成8位控制寄位控制寄存器，用于存放各存器，用于存放各端口的工作方式控端口的工作方式控制字。制字。 表表6-3 8255A的端口与功能的端口与功能并行端口并行端口PAPA、PBPB和和PCPC当当8255A工作于方式工作于方式0时，时，PC0PC7分为两分为两组（每组组（每组4位）并行位）并行I/O数据线。数据线。 当当8255A工作于方式工作于方式1或或2时，时，PC0PC7为为PA、PB口提供联络和中断信号。口提供联络和中断信号。 8255A825

12、5A的工作方式及数据的工作方式及数据I/OI/O操作操作 方式方式0（基本输入（基本输入/输出方式）输出方式） 在这种工作方式中，在这种工作方式中，PA、PB口及口及PC口的两个口的两个4位口中的任何一个端口都可以位口中的任何一个端口都可以被编程设定为输入或输出方式，但不能既被编程设定为输入或输出方式，但不能既作输入又作输出。在作为输入时，输入数作输入又作输出。在作为输入时，输入数据不被锁存，而作为输出时，数据被锁存。据不被锁存，而作为输出时，数据被锁存。在方式在方式0时。方式时。方式0适合于数据的无条件传适合于数据的无条件传送送.8255A8255A的工作方式及数据的工作方式及数据I/OI/

13、O操作操作方式方式1（选通输入（选通输入/输出方式）输出方式） 在这种工作方式中，在这种工作方式中，PA、PB口分别口分别用于数据的输入或输出，用于数据的输入或输出，PC口中的某些口中的某些位作为位作为PA、PB口的联络信号，用于口的联络信号，用于8255A与外设之间、或与单片机之间传送与外设之间、或与单片机之间传送状态信息以及作为中断请求信号。在方式状态信息以及作为中断请求信号。在方式1时，时，PA、PB口的数据输入、输出都具口的数据输入、输出都具有锁存功能。有锁存功能。8255A8255A的工作方式及数据的工作方式及数据I/OI/O操作操作若若PA口和口和PB口都工作于方式口都工作于方式1

14、，则，则PC口中口中有有6位固定的作为位固定的作为PA口和口和PB口的状态和控口的状态和控制信号，制信号，PC口剩下的两位可以编程为输入口剩下的两位可以编程为输入或输出。或输出。若若PA口和口和PB口中有一个工作在方式口中有一个工作在方式0，而，而另一个工作在方式另一个工作在方式1，则，则PC口中有口中有3位固定位固定的作为的作为PA口和口和PB口的状态和控制信号，口的状态和控制信号，PC口剩下的口剩下的5位可以编程为输入或输出。位可以编程为输入或输出。方式方式1适用于查询中断方式的数据输入适用于查询中断方式的数据输入/输出输出 8255A8255A的工作方式及数据的工作方式及数据I/OI/O

15、操作操作方式方式2（选通输入（选通输入/输出方式）在这种工作方式中输出方式）在这种工作方式中PA、PB口分别用于数据的输入或输出口分别用于数据的输入或输出PC口中的某些位作为口中的某些位作为PA、PB口的联络信号，用口的联络信号，用于于8255A与外设之间、或与单片机之间传送状与外设之间、或与单片机之间传送状态信息以及作为中断请求信号。态信息以及作为中断请求信号。在方式在方式2时，时，PA、PB口的数据输入、输出都具有口的数据输入、输出都具有锁存功能。锁存功能。 8255A8255A的工作方式及数据的工作方式及数据I/OI/O操作操作只有只有PA口才能有方式二这种工作方式。此时，口才能有方式二

16、这种工作方式。此时，PA口既能输入数据又能输出数据，口既能输入数据又能输出数据，PC口的口的PC3PC7用作用作PA口的输入口的输入/输出同步控制输出同步控制信号。信号。工作在方式工作在方式2时，剩下的时，剩下的3位可以编程为输入位可以编程为输入或输出。而或输出。而PB口可以编程工作为方式口可以编程工作为方式0或或方式方式1。方式方式2 适用于查询或中断方式的双向数据传适用于查询或中断方式的双向数据传送。送。8255A8255A的数据输入操作操作的数据输入操作操作用于数据用于数据输入输入操作的联络信号操作的联络信号 ：选通脉冲输入信号，低电平有效。外设送来：选通脉冲输入信号，低电平有效。外设送

17、来的下降沿将端口数据线上的输入数据锁存到端口锁的下降沿将端口数据线上的输入数据锁存到端口锁存器。存器。IBF：输出缓冲器满信号输出，高电平有效。此信号：输出缓冲器满信号输出，高电平有效。此信号有效表示外设已将数据装入端口锁存器，但有效表示外设已将数据装入端口锁存器，但CPU尚尚未读取。在未读取。在CPU读取端口数据后，读取端口数据后，IBF将变为低电平，将变为低电平，表示端口锁存器空。表示端口锁存器空。INTR：中断请求信号，高电平有效。在：中断请求信号，高电平有效。在IBF为高电为高电平，平，STF信号由低变高时，中断请求信号有效，向信号由低变高时，中断请求信号有效，向CPU发出中断请求。发

18、出中断请求。INTE：8255A端口内部的中断允许触发器。只有在端口内部的中断允许触发器。只有在INTE为高电平时才允许端口中断请求。为高电平时才允许端口中断请求。INTEA和和INTEB分别由分别由PC4、PC2的置位的置位/复位来控制。复位来控制。STB8255A8255A的数据的输出操作操作的数据的输出操作操作 ：外设响应输入信号，低电平有效。它是外设取走：外设响应输入信号，低电平有效。它是外设取走并且处理完并且处理完8255A的数据后，向单片机发出的响应信号。的数据后，向单片机发出的响应信号。 ：输出信号，低电平有效，输出缓冲器满信号。当：输出信号，低电平有效，输出缓冲器满信号。当CP

19、U把数据写入把数据写入8255A的锁存器后，该信号有效，用来的锁存器后，该信号有效，用来通知外设开始接收数据。外设取走并且处理完通知外设开始接收数据。外设取走并且处理完8255A的的数据后发回来的应答信号使之变为高电平。数据后发回来的应答信号使之变为高电平。INTR：中断请求信号，高电平有效。在：中断请求信号，高电平有效。在IBF为高电平，为高电平，STF信号由低变高时，中断请求信号有效，向信号由低变高时，中断请求信号有效，向CPU发出发出中断请求。中断请求。INTE：8255A端口内部的中断允许触发器。只有在端口内部的中断允许触发器。只有在INTE为高电平时才允许端口中断请求。为高电平时才允

20、许端口中断请求。INTEA和和INTEB分别分别由由PC4、PC2的置位的置位/复位来控制。复位来控制。ACKOBF8255A8255A的的82558255的控制字的控制字 1方式控制字方式控制字图图6-7 8255A的工作方式控制字的工作方式控制字8255A8255A的数据的输出操作操作的数据的输出操作操作PC口位控制字口位控制字 图6-8 8255A的PC口位控制字8255A8255A与与89C5189C51的接口的接口 数据总线数据总线 DB7DB0控制总线控制总线地址总线地址总线 片选、片选、A1、A0写出各端口的地址写出各端口的地址8255A的初始化的初始化在在8255A开始工作之前

21、，必开始工作之前，必须根据需要，将相应的控制字写入须根据需要，将相应的控制字写入8255A的控制寄存器中。的控制寄存器中。 RDWR数模转换器数模转换器DAC0832DAC0832 功能：将数字量转变为模拟量功能：将数字量转变为模拟量 原理：原理：量化误差量化误差DAC位数位数niiiRnnROaVaaaaVv13322112 )2.222()2.22(211110nnnnROaaaVv型电阻网络型电阻网络DACDAC DAC0832DAC0832简介简介 8位单片数字/模拟（D/A）转换器 图图6-14 DAC0832的内部结构的内部结构DAC0832DAC0832的各引脚定义的各引脚定义

22、ILE：数据锁存允许信号，高电平有效。：数据锁存允许信号，高电平有效。 ：输入寄存器选择信号，低电平有效。：输入寄存器选择信号，低电平有效。 ：输入寄存器写选通信号：输入寄存器写选通信号1，低电平有效。，低电平有效。和和ILE、 信号配合，完成第一级输入寄存信号配合，完成第一级输入寄存器的锁存操作。器的锁存操作。 ：输入寄存器写选通信号：输入寄存器写选通信号2，低电平有效。，低电平有效。 ：数据转移控制信号，低电平有效。和：数据转移控制信号，低电平有效。和信号配合完成数据从第一级寄存器转移到第信号配合完成数据从第一级寄存器转移到第二级寄存器。二级寄存器。 1WRCSCS2WRXFERDAC08

23、32DAC0832的各引脚定义的各引脚定义 VR：基准电压输入。：基准电压输入。 VFB：反馈信号输入，在芯片内部已有反：反馈信号输入，在芯片内部已有反馈电阻。馈电阻。 IOUT1和和IOUT2：电流输出线。：电流输出线。IOUT1和和IOUT2的和为常数。的和为常数。IOUT1随随DAC寄存器寄存器的内容线形变化。的内容线形变化。 VCC：电源，接：电源，接5V。 DGND：数字电源地。：数字电源地。 AGND：模拟信号地。：模拟信号地。 DAC0832DAC0832与与89C5289C52的接口电路的接口电路 模数转换器模数转换器 ADC的三个基本功能：抽样、量化和编码。的三个基本功能：抽

24、样、量化和编码。 通常通常ADC的分辨率越高，需要的转换时间就越的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速度就越低长，转换速度就越低 现有的模数转换技术主要包括以下几种：现有的模数转换技术主要包括以下几种： 并行比较型并行比较型逐次逼近比较型逐次逼近比较型积分型积分型压频变换型压频变换型流水线型和流水线型和-型。型。 AD转换电路的基础理解定义和内容1 分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，这样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。AD转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容2

25、量化和量化误差：量化和量化误差：将幅度连续取值的模拟信号变将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值的过为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值的过程称为量化。程称为量化。 通过量化将连续量转换成离散量，必然存在类似通过量化将连续量转换成离散量，必然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到于四舍五入产生的误差，最大误差可达到1LSB的的1/2。此误差叫做量化误差。此误差叫做量化误差。AD转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容2 量化和量化误差：量化和量化误差： a) f(t) t F8 F6 F5 F4 F3 F2 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 F7 O b

26、) f1(t) t 0 1 2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 对应编码 1F2F3F4F5F6F7F8FAD转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容3 精度：精度：理想的理想的ADC是指不含量化误差以外是指不含量化误差以外的误差，但实际上由于使用的元件和噪声的误差，但实际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。精度是表示所含误差的等产生各种误差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百分比或比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度表示。精度分为绝对精度和相对精度。分为绝对精度和相对精度。并行比较型模数转换器并行比较型模数转换器 优点：优点：速度最

27、快，速度最快， 采样速率可达采样速率可达1GSPS（每秒采样）（每秒采样）缺点：缺点：分辨率不高；分辨率不高；功耗大；成本高。功耗大；成本高。 并行比较型模数转换并行比较型模数转换器的分辨率最高不器的分辨率最高不会超过会超过8位。位。商品的并行比较型模商品的并行比较型模数转换器的分辨率数转换器的分辨率常常为常常为6位。位。逐次逼近比较型模数转换器逐次逼近比较型模数转换器 由于逐次逼近比较型由于逐次逼近比较型ADC同时具有较高的速同时具有较高的速度和较高的分辨率，因而应用最广、品种度和较高的分辨率，因而应用最广、品种最多。分辨率从最多。分辨率从8位到位到16位，采样速度从几位，采样速度从几十十k

28、Hz到几十到几十MHz。图6-17逐次逼近比较型ADC组成方框 比较器 D/A 转换器 逐次逼近 寄 存 器 逻辑控制 电 路 输出缓冲器 输出允许 转换结束 启动 时钟 Ui US Dn-1 D0 积分型模数转换器积分型模数转换器 双积分型双积分型ADC的原理图与工作过程的原理图与工作过程 优点优点：分辨：分辨率较高率较高(16位位)，功耗，功耗低，成本低。低，成本低。 缺点：缺点：转换转换速度低速度低 商品：商品：3位位半，半，4位半位半 模数转换器与模数转换器与89C5289C52接口实例接口实例 模数转换器模数转换器ADC0809简介简介 8位逐次逼近型位逐次逼近型 单一单一5V供电供电 片内有带锁存功能的片内有带锁存功能的8路模拟开关路模拟开关 可对可对05V、8路模拟信号分时进行转换路模拟信号分时进行转换 完成一次转换的时间约需完成一次转换的时间约需100s （每秒（每秒10k次）