单片机接口扩展

1、单片机接口扩展单片机接口扩展教学目标介绍单片机程序存储器的扩展方法介绍单片机数据存储器的扩展方法介绍单片机I/O 口的扩展方法学习要求熟悉单片机片外三总线结构 和扩展能力掌握单片机接口扩展EPROM,RAM,I/O 口方法掌握地址译码及片选方法了解单片机总线驱动能力和扩 展方法 通常情况下，采用8051/8751/89C51的最小应用 系统最能发挥单片机体积小，成本低的优点.但在很多情 况下，构成一个工业测控系统时，考虑到传感器接口 ，伺服 控制接口以及人机对话接口等的需要，最小应用系统常常不能满足要求，因此，必须在片外扩展相应的外围芯片，这就是单片机接口扩展.它包括程序存储器（ROM）T展，

2、数据 存储器（RAM）T展,I/O 口扩展，定时/计数器扩展，中断单 片机接口扩展以及其它特殊功能扩展等.7.1 MCS-51系列单片机的外部扩展性能7.1.1 MCS-51系列单片机的片外总线结构为了满足单片机接口扩展要求,MCS-51系列单片机的片外引脚可以构成图7-1所示的三总线结构，即地址总线（AB）,数据总线（DB）和控制总线（CB）.所有的外部 芯片都是通过这三组总线进行扩展.图7-1单片机的片 外三总线结构高8位地址低8位地址16位地址总线8位数据总线控制总线_P2 口 ALE8051P0 口 RDEA WRPSEN地址锁存器1.地址总线（AB）地址总线宽度为16位，因 此可寻址

3、范围为 216=64KB.地址总线由P0 口提供低8位 地址A7A0,由P2 口提供高8位地址A15A8. 2.数据总线 （DB）数据总线由P0 口提供，其宽度为8位.3.控制总线（CB） 控制总线包括片外单片机接口扩展用线和片外信号对单 片机的控制线.,:用于片外数据存储器（RAM）的读写控制. 当执行片外数据存储器操作指令MOVX寸,这两个信号自动生效.:用于片外程序存储器（EPROM的读数控制.ALE: 用于锁存P0 口输生的低8位地址的控制线.通常,ALE在 P0 口输由地址期间用其下降沿控制锁存器锁存地址数 据.：用于选择片内或片外程序存储器.当=0时，只访问片外程序存储器，而不管片

4、内有无程序存储器.因此，在扩 展并使用外部程序存储器时，必须将 接地.7.1.2 MCS-51系列单片机的单片机接口扩展能力根据地址总线宽度,MCS-51系列单片机在片外可扩展的存 储器最大容量为 64KB,地址范围为 0000HFFFFH.1.片外 数据存储器与程序存储器的地址范围一样为64KB,地址也可重复，它们由单片机不同的指令和控制信号区分 ：读 片外程序存储器的指令为MOVC读写片外数据存储器的指令为MOVX读片外程序存储器的控制信号为，读写片外数据存储器的控制信号为和2片外数据存储器与片内数据存储器的地址可重复，但操作指令不同.对片内数 据存储器读写的指令为MOV对片外数据存储器读

5、写的指令为MOVX.3.为配置外围设备而需要扩展的I/O接口，如A/D,D/A等，与片外数据存储器统一编址,7.1.3 MCS-51 系列单片机的总线驱动能力及扩展方法一，总线的驱动能力MCS-51系列单片机作为数据总线和低8位地址总线的P0 口可驱动8个LSTTL电路，而P1,P2,P3只能驱动4 个LSTTL电路.当应用系统规模过大时，可能造成负载过 重，致使驱动能力不够，系统不能可靠地工作.二，总线的 扩展概述在设计计算机应用系统硬件电路时，首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行 扩展.地址总线和控制总线为单向的，可采用单向三态线 驱动器（如74LS244）进行驱动

6、能力的扩展.数据总线为双 向的，必须采用双向三态线驱动器 （如74LS245）进行驱动 能力的扩展.7.2 MCS-51系列单片机存储器扩展7.2.1程序储存器扩展一,储存器扩展概述外部程序存储器 芯片与单片机可按如下方式连接:1.地址线的连接外部程序存储器低 8位地址线 A0A7与P0 口的口线 P0.0P0.7 对应相连；外部程序存储器高 8位地址线A8A15与P2 口 的口线P2.0P2.7对应相连.2.数据线的连接 外部程序 存储器8位数据线 D0D7与P0 口的口线 P0.0P0.7对应相连.3.控制线的连接（片外程序存储器取指信号）和（程 序存储器输由允许信号）相连;ALE（地址锁

7、存允许信号）和 （地址锁存器锁存信号）相连；（片内/片外程序存储器选 择信号）,当选用8031/8032时，应接地；单片机的相关地 址线经过地址译码和程序存储器的片选信号相连.由上面论述可以得到外部扩展程序存储器的一般连接方法，见图7-2所示.图7-2单片机的外部程序存储器一般连接方 法地址锁存器 P2.7P2.0ALE8031P0.7P0.0EA PSENA15 A8A7外部程序A0存储器D7D0OEX，程序储存器EPROM 的扩展1.使用单片EPROMJ扩展电路图7-3为8031单片 机外接一片 EPROM7256的扩展电路.图7-3 8031单片机 扩展一片27256的电路27256的端

8、是输由使能端，与 8031的 端相连，当 有效时，把27256中的指令送上 P0 口 线.由于只扩展一片 EPROM,27256勺片选端可直接接 地.27256的编程电压端 VPP接电源.当用户熟悉了其它 EPROM5片后，很容易改成其它容量 EPROMJ单片扩展电 路：扩展27128时，去掉P2.7引曲线，将27128的27脚接 Vcc;扩展2764时，去掉P2.6,P2.5引曲线，并将2764的 27脚接Vcc,26脚不接；扩展2732时，去掉P2.6,P2.5和 P2.4 引曲线；扩展 2716 时，去掉 P2.6,P2.5,P2.4 和 P2.3 引曲线，并将2764的Vpp接Vcc即

9、可.3.使用多片EPROM 的扩展电路在扩展多片 EPROMS,所有芯片的片选端都必须按照地址线进行选择.芯片的片选是在保证对 EPROW 内存储空间寻址条件下，使用剩余的地址线进行的，分为 线选法和译码法.现以扩展多片2764 EPROM?例来说明这 两种片选法:2764的片内地址为8K,因此片内寻址需占用 A12A0的13根地址线，尚剩余3根地址线A13,A14,A15, 采用线选法时，剩余的三根地址线每根可接一个芯片的片 选信号，则只能扩展3片2764,见图7-4(a)所示；采用译码 法时，剩余三根地址线经过 3-8译码得到8根片选信号， 可扩展8片2764,见图7-4(b)所示.图7-

10、4(a)线选法扩 展三片2764的电路图7-4(b)译码法扩展三片2764的电路目前，随着大 容量EPROMJ由现，像图7-4(b)这种多片地址译码的方法 已不太常用，它完全可以用两片 27256代替.对于扩展两 片27256 EPROM勺电路如图7-5所示，它是带反相器的线 选法：用一根地址线，使它不经反相器和经反向器后分别 连接到两个EPROMJ片选.图7-5两片27256的扩展电路 三，作为程序储存器 EEPROMJ扩展电擦除可编程只读存 储器 EEPROM(Electrically Erasable PROM)具有能在应用系统中进行在线改写，并可在断电情况下保存数据而不 需保护电源等优

11、点，在智能仪表，控制装置，分布式监控系 统子站以及开发装置中得到了广泛的应用.图7-6为8031 单片机的EEPROM 28C1的扩展电路，图中使用了控制 线,. 图中 线是由和相"与"后提供，无论 有效还是 有效都能使28C16的输由允许端有效，这种联接方法是把 EEPROI®作为程序存储器，也作为数据存储器用；28C16 的 与8031的 相连，单片机可以向28C16写指令数据或数 据，表格;28C16的与8031的P2.7进行线选，当系统中有 其它程序存储器或数据存储器时，要统一考虑地址选择.7.2.2数据储存器扩展 一，数据储存器扩展概述外 部数据存储器芯

12、片与单片机可按如下方式连接：1.地址线的连接外部程序存储器低8位地址线A0A7与P0 口的口线P0.0P0.7对应相连；外部程序存储器高 8位地址线 A8A15与P2 口的口线 P2.0P2.7对应相连.2.数据线的 连接外部程序存储器 8位数据线D0口7与P0 口的口线 P0.0P0.7对应相连.3.控制线的连接（单片机片外数据 读信号）和（数据存储器读信号）相连；ALE（单片机地址锁 存允许信号）和G（地址锁存器锁存信号）相连;（单片机片 外数据写信号）和（数据存储器写信号）相连；单片机的相 关地址线经过线译码或地址译码和数据存储器的片选信 号 相连.由上面论述可以得到外部扩展数据存储器的

13、一 般连接方法，见图7-6所示.图7-6单片机的外部数据存 储器一般连接方法地址锁存器P2.7P2.0ALE8031P0.7P0.0EA WR RDA15 CE A8A7A0外部 数据存储器D7-D.0WE RD访问外部数据区可只采用低8位地址线寻址，这时可寻址空间为256B,采用下面读，写指令来访问此数据存储区:MOVX A,Ri (i=0,1)MOVX Ri,A (i=0,1) 由于 8 位寻 址指令所占字节少，指令执行速度快，故在数据量不大的 情况下，应尽可能采用这种8位寻址指令.在单片机系统 中通常选用8155外围芯片，其内部的256B就可以作为外 部扩展RAM®用.也可以采

14、用16位地址线寻址外部数据区 这时可寻址空间为 64KB,采用下面8位寻址指令来读，写 止匕数据存储区:MOVX A,DPTRMOVX DPTRA部 RA哈 量较大(大于256B)时,采用此寻址方法.二，数据储存器 静态RAM勺扩展由于单片机是面向测，控为主的，实际所 需要的数据存储器的扩展容量不会很大，所以在扩展时为了电路的简单，一般使用静态 RAM如6116和6264.图7-7 为扩展单片6116时的电路.前面讲过，扩展单片程序存储 器时，片选端直接接地即可，因为系统中不会再有其它程 序存储器芯片.但扩展单片数据存储器时，具片选端能否 直接接地则还要考虑应用系统中有无I/O 口及外围设备扩

15、展，如果有，则要统一进行片选选择.图7-7 6116的扩展 电路三，作为数据储存器EEPROMJ扩展EEPROME有程序 存储器与数据存储器的特点，故在单片机应用系统中既可 作为程序存储器，又可作为数据存储器.作为程序存储器， 其操作主要是程序运行操作，必须严格按照程序存储器的地址总线，数据总线，控制总线的联接方式.而将EEPROM 作为数据存储器时，与单片机的接口较灵活，既可直接将 EEPRO祚为片外数据存储器扩展，也可以作为一般外围 设备电路扩展，而不影响数据的存取.图7-8为并行 EEPROM数据存储器扩展电路.图中2816A可按照典型的 数据存储器扩展电路联接方式，如2814A(1)芯

16、片.也可以作为外设电路，通过扩I/O 口 8255连接，如2816A(2).可 以看由，作为数据存储器时其电路连接较为灵活.2816A(2)工作时，要使8255进入工作状态(P2.7使8255有效),2816A所需的地址采用通过 8255用MOV*殍令送入. 图7-8 28C16作为数据存储器的扩展电路7.3 MCS-51系列单片机I/O 口扩展MCS-51单片机共有四个8位并行I/O ，但这些I/O 口并不能完全提供给用户使用.只有对 于片内有 ROM/EPROM/FLASH-RAM机 8051/8751/89C51,在不使用外部扩展时，才允许这四个I/O 作为用户I/O口使用.然而对于大多

17、数使用8031以及使用 8051/8751/89C51需外部扩展时,MCS-51单片机可提供给用户使用的I/O只有P1 口和部分P3 线.因此，在大部分的MCS-51单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O 口的扩展.扩展I/O 口可以通过 MCS-51单片机的数据总线进行，也可以利用移位寄存器通过MCS-51单片机的串行口进行.7.3.1通过数据总线扩展通过数据总线扩展I/O 口，是采用外部数据存储器映射方式进行输入，输由的，与外部数据存储器的扩展在方法上是基本相同的.从功能上看，通过数据总线扩展的I/O 有两种基本类型 简单I/O 扩展和可编程I/O 口的扩展.一，采用简单并行 I/O

18、接口芯片扩展 P0 口是数据总线口，通过P0 口扩展I/O 口时,P0 口只能分时使用，故输由时，接口电路应具有锁 存功能,如采用8D锁存器74LS273,74LS373,74LS377组成 输由口 ；输入时，接口电路应能三态缓冲，如采用8位三态 缓冲器74LS244组成输入口 .1.用三态门扩展8位输入并 行口图7-9是用74LS244通过P0 口扩展的8位并行输入 接口 .74LS244由两组4位三态缓冲器组成，分别由选通端 和控制.当它们为低电平时，这两组缓冲器被选通，数据从 输入端A送到输由端Y.和 同时由P2.7和相或后控制， 由此可知74LS244的地址为7FFFH,其数据的输入使

19、用以 下几条指令即可：MOVX DPTR,#7FFFH数据指针指向 74LS244 口地址 MOVXA,DPTR读入数据图 7-9 简单I/O 口的扩展电路2.用锁存器扩展简单的 8位输由口图7-9 是用74LS273通过P0 口扩展的8位并行输由接口 .74LS273是带三态门控的锁存器，CLR为数据清零端， 其为低电平时有效，故此处应接高电平.CLK为锁存时钟 端，由P2.7和相或后控制，当同时为低电平时，将P0 口的 数据锁存到74LS273.因止匕74LS273的地址为7FFFH,和输入口地址相同，但由于它们分别由和信号控制，仍然不会发生冲突.其数据的输由使用以下几条指令即可：MOVX

20、DPTR,#7FFFH数据指针指向 74LS273 口地址 MOVX A,#data ;输由数据要通过累加器传送MOVX DPTR,A ;P0口通过74LS273输由数据当要扩展多个简单的8位输入口和输由口 ,多个74LS244的选通端和和多个 74LS273的锁 存时钟CLK,应采用类似前面所讲述的多片EPROMT展时的片选方法.但要注意8031的I/O 口驱动能力，在实际应 用时，要根据负载的大小适当增设驱动电路.二，采用可编程并行I/O接口芯片扩展在单片机接口中，常使用一些结 构复杂的接口芯片，以完成各种复杂的操作.这类芯片一 般具有多种功能，在使用前，必须由CPU寸其编程，以确定 其工

21、作方式，之后才能使芯片按设定的方式进行操作，这就是可编程接口 .下面将通过使用8255扩展并行I/O 口重 点说明这个问题.1.8255的初始化使用8255时，首先要 由CPU寸8255写入控制命令字，有两种控制命令字：一个 是方式选择控制字，另一个是C 按位置位/复位控制 字,8255的各种工作方式都要由控制命令字来设定，这个设置过程称为"初始化".(1)方式选择控制字(D7=1)D0D2 三位用来对B组的端口进行工作方式设定.D2设置B 口的 工作方式,D2=1为方式1;D2=0为方式0.D1位设定B 口的 输入或输由,D1=1为输入;D1=0为输由.D0位设定C 口的

22、低半部,D0=1为输入,D0=0为输由.D3D6四位用来对A组 的端口进行设定.D6D5组合起来设定 A 口工作方式,D6D5=00,为方式 0;D6D5=01 为方式 1;D6D5=10 和 11 都为方式2.D4位用来设定A 口的输入或输由.D3位用来 设定C 口上半部的输入或输由,D3=1为输入,D3=0为输 由.(2)_ C 口按位置/复位控制字(D7=0)因为C 口共有8 个二进制位，要确定对其中奥一位进行操作，就要在控制字中指定该位的编号.图中用了 D3D2D1三位的编码与 C 口的莫一位相对应，对指定位进行的操作则由D0确定，如D0=1时，将指定位置"1",D

23、0=0则将指定位置"0".2. 8255 和8031的接口方法 MCS-51单片机与8255的接口逻辑简 单，其接口电路如图7-10所示.图中,8255的片选信号及 口地址选择线 A0,A1分别由8031的P0.7和P0.0,P0.1 经地址锁存后提供.故8255的A,B,C 口及控制口地址分别 为 FF7CH,FF7DH,FF7EH,FF7FH.8255勺复位端与 8031 的复 位端相连，都接到8031的复位电路上.图7-10 8031与 8255接口电路7.3.2通过串行口扩展一，用并入串由移位寄存器扩展并行输入口图7-11是利用两片74LS165扩展2个8位并行输入

24、口的电路.74LS165是8位并行输入 串行输由移位寄存器，单片机的RXD(P3.0)作为串行数据 输入端与74LS165的串行输由端 Q7相连；单片机的TXD(P3.1)为移位脉冲输由端，与所有的74LS164芯片的 移位脉冲输入端 CLK相连；用1根I/O线(P1.0)与74LS165 的移位/置位端相连，来控制其移位与置位.当为低电平 时，并行数据置入74LS165的寄存器；当 为高电平时，开 始串行移位.当扩展多个8位输入口时，相邻两芯片的首 尾(串行输由端Q7与串行输入端SER相连.串行接收时， 由RI引起中断或对 RI查询来决定何时接受下一个字符 (在采用查询方式时，也需预先关闭中

25、断). 单片机扩展 中断的简便方法(zz)MCS -51系列单片机内部只有两个外部中断源输入端， 当外部中断源多于两个时，就必须进行扩展，下面介绍 两种简单的扩展方法：一、采用硬件请求和软件查询的方法：这种方法是：把各个中断源通过硬件“或非”门 引入到单片机外部中断源输入端(INT0或INT1),同时 再把外部中断源送到单片机的莫个输入输由端口，这样 当外部中断时，通过“或非”门引起单片机中断，在中 断服务程序中再通过软件查询，进而转相应的中断服务 程序。显然，这种方法的中断优先级取决于软件查询的 次序。其硬件连接和软件编程如下：Void zhongduan (void) interrupt

26、0 using 3 /中断函数 EX0=0 ; / 关中断 If(P0_0=1) */ 中 断查询 If(P0_1=1) */ 中断查询 If(P0_2=1) */中断查询 EX0=1;开中断二、用定时器/计数器作外部中断单片机的定时器/计数器是一个加一计数器，每当计数输入端有一个“10”的负跳变时，计数器加一，当加一计数器溢由 时，就向CPU发生中断，利用这个特性来扩展中断的方 法是：首先把定时器/计数器设置成计数方式，并预置满 值，把外部中断源输入到P3 口第4引脚或第5引脚(计数器输入端)，这样就可以利用定时器/计数器作为单片机外部中断了。注意这种方法的中断服务的入口地址应 在 000B

27、H或 001BH图7-11利用串行口扩展并行输入口下面程序为利用图7-11读入16位数据并存入8031的片内RAM30悌口 31H两个端单元中：MOVR0,#30H ;建立指针 MOR7,#02H ; 字节计数初值 CLR P1.0 ;=0,并置入数据 SETB P1.0尸1, 允许串行移位 LOOP:MOV SCON,#10H置串行口方式 0,REN=1,RI=0NB RI,$ ;等待一帧数据接受完 MOVA,SBUF; 读接受数据 MOV R0,A存入RAMS冲区INC R0 ;调整指 针DJNZ R7,LOOP数据未接受完，继续CLR RI ;清接收标 志二，采用串入并由移位寄存器扩展并

28、行输由图7-12是利用两片74LS164扩展2个2位输由口的接口电路. 74LS164是8位串入并由移位寄存器，单片机的RXD(P3.0) 为串行输由与 74LS164数据输入端(1,2)相连;TXD(P3.1)为移位脉冲输由，与74LS164的时钟脉冲输由端(8)相连； 由P1.0 口线控制74LS164的清除端(9).当 为低电平时， 清除74LS165中的数据；当 为高电平时，开始串行移位. 当扩展多个8位输入口时，相邻两芯片的首尾(串行输由 端Q7与串行输入端A,B)相连.图7-12利用串行口扩展并 行输由口 下面程序为利用图7-12扩展一个16位并行输 由口，将8031的片内RAM3

29、0侨口 31H两个单元中的数据通 过两片74LS164输由：MOV R0,#30H ;建立指针MOV R7,#02H ;字节计数初值 SETB P1.0 ;=1,清零端无效 LOOP:MOV SCON,#10H置串行口方式 0,REN=1,RI=0MOV A,R0 ;取 RAMS冲区内容 MOV SBUF,A 发送 JNB RI,$ ; 等待一帧数据发送完 INC R0 ;调整指针DJNZ R7,LOOP ; 数据未发送完，继续CLR TI ;清发送标志应当指由,再两 次发送过程中,两片74LS164的16位输由端是连续变化的 每个移位脉冲使数据自Q0向Q7方向移动一位，待两个字节全部发送完毕

30、时，输由稳定下来.小 结 在很多情况下， 构成一个单片机应用系统时，考虑到传感器接口 ，伺服控 制接口以及人机对话接口等的需要，必须在片外扩展相应的外围芯片，这就是单片机接口扩展.它包括程序存储器 (ROM)T展，数据存储器(RAM)T展,I/O 口扩展等.MCS-51 单片机片外引脚可以构成三总线结构，即地址总线(AB),数据总线(DB)和控制总线(CB),所有的外部芯片都是通过这三组总线进行扩展.由于P0 口分时用作数据总线和地 址总线的低8位，因此必须采用地址锁存器将 P0 口输生的 低8位地址进行锁存.根据地址总线宽度，在片外可扩展 的程序存储器和数据存储器最大容量都为64KB,地址范

31、围为0000HFFFFH扩展的程序存储器和数据存储器的地 址范围虽然相同，但可通过不同的指令和控制信号加以区 别.读片外程序存储器采用MOVCf令和取指信号；读和写片外数据存储器采用 MOVXf令和，片外数据读，写信 号.扩展的I/O 口与片外数据存储器采用统一编址，这样做的优点是不必为扩展的I/O另外提供地址线，减少单片 机的引脚数.但当应用系统需要扩展较多的I/O 时，要占去大量的数据存储器的地址.当片外扩展单一芯片（存 储器和I/O芯片）时，该芯片的片选信号可以直接接地；当扩展多片程序存储器或多片数据存储器（包括I/O 芯片） 时,所有芯片的片选端都必须按照地址线进行选择，常用线选法或地址译码法.片外扩展的程序存储器常用EPROM和EEPROMHt外扩展的数据存储器常用静态RAM口 EEPROM.扩展I/O 口常用数据总线进行，在串行口不作它用时，还 可以用串行口外接并入串由移位寄存器和串入并由移位 寄存器，扩展并行输入口和并行输由口.用数据总线扩展 并行I/O时，可采用简单的8位三态缓冲器和8位三态锁存器扩展并行输入口和输由口，也可以采用可编程I/O芯片扩展并行I/O 口.思考题与习题七1.MCS-51单片机与 外部扩展的存储器相接时，为何低8位地址信号需通过地 址锁存器，而高8位不需经过地址锁存器 2.在MCS-