第8章+单片机系统扩展技术

1、 8.1 8.1 扩展三总线的产生扩展三总线的产生8.2 8.2 程序存储器的扩展程序存储器的扩展8.3 8.3 外部数据存储器的扩展外部数据存储器的扩展8.4 8.4 外部外部I/OI/O的扩展的扩展u对于单片机来说，由于芯片内已经集成了计算机的基本功能部件，在一些简单应用场合，无需扩展便可构成应用系统。u对于8051单片机，一块芯片就是一个完整的最小微机系统，但片内ROM、RAM的容量，并行I/O口数目，定时器及中断源等内部资源都还是有限的。u需要进行ROM、RAM、I/O口等部件的扩展。图8-1 8051系统扩展及接口框图MCS-51单片机的内核是一个8位的CPU，其外部扩展数据总线为8

2、位，同时提供16位的地址总线宽度，还有读、写和程序存储器选通等控制信号线。8051的系统扩展及接口框图：8. 1 扩展三总线的产生 MCS-51单片机由于受管脚数目的限制，数据线和地址低8位线是复用的，而且与I/O口线兼用。 为了便于同单片机片外的芯片正确地连接，需要在单片机外部增加地址锁存器，将地址低8位线与数据线分离，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线结构。总线是连接计算机各装置的一组公共线束，一般由地址总线、数据总线和控制总线组成。8.1.1 总线MCS-51单片机的片外引脚可构成如图8-2所示的三总线结构，所有的外围芯片都将通过这三种总线进行扩展。图8-2 8051扩展的三总线1地

3、址总线AB（Address Bus）u地址总线用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和I/O端口的地址选择。u地址总线是单向的，只能由单片机向外发送地址信息。地址总线的数目决定了可直接访问的存储单元的数目。uMCS-51单片机地址总线为16位，因此存储器扩展最多可达216个地址单元，即可寻址64KB的地址空间。2数据总线DB（Data Bus）3控制总线CB（Control Bus）数据总线用于单片机与存储器或I/O端口之间传送数据。数据总线的位数一般与单片机处理数据的字长一致。MCS-51单片机的字长为8位，其数据总线的位数也是8位。数据总线是双向的，可以进行双向的数据传送。 控制总

4、线是单片机发出的用于控制片外RAM、ROM和I/O口部件，并对其进行读、写等操作的一组控制线。1以P0口作低8位地址/数据总线8.1.2 系统扩展的实现P0口线可作普通I/O口，也可在外部扩展时作地址/数据复用总线，分时使用。需要加一个8位锁存器，先把低8位地址送锁存器暂存，然后再由地址锁存器给系统提供低8位地址，而把P0口线作为数据线使用。图8-3 8051低8位地址扩展电路2以P2口作高8位地址线 如果使用P2口的全部8位口线，再加上P0口提供的低8位地址，便可形成完整的16位地址总线，使单片机系统的寻址范围达到64KB。 实际应用系统中，高位地址线并不固定为8位，可根据系统扩展的地址范围

5、要求，选择P2口中几根口线进行使用。 3控制信号线在扩展系统中，除了地址线和数据线之外还需要一些控制信号线，以构成扩展系统的控制总线。控制信号。（1）使用ALE作为地址锁存的选通信号，以实现低8位地址的锁存。（2）以信号/PSEN作为扩展程序存储器的读选通信号。 （3）以/EA信号作为内、外程序存储器的选择信号。 （4）以/RD和/WR作为扩展数据存储器和I/O端口的读、写信号。执行MOVX指令时，根据数据读写的不同情况分别自动产生或有效信号。8.2 程序存储器的扩展MCS-51单片机的程序存储器空间、片外数据存储器空间和片内数据存储器空间是相互独立的三个地址空间。程序存储器寻址空间为64KB

6、，地址范围为0000H0FFFFH。 8051和8751片内包含有4KB的ROM或EPROM，8031片内不带ROM。当片内ROM不够使用或采用8031芯片时，就需扩展程序存储器。 通常，用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM。MCS-51单片机扩展外部程序存储器所使用的信号有P0口、P2口以及ALE和/PSEN等。其扩展外部程序存储器的硬件电路如图8-4所示: 8.2.1 外部程序存储器的扩展图8-4 MCS- 51单片机程序存储器的扩展 在外部存储器取指期间，P0口和P2口的16根I/O线输出地址码，其中P0口作为分时复用地址/数据总线，它送出程序计数器中的低八位地址（PCL），由

7、ALE信号选通进入地址锁存器，然后变成浮置状态等待从程序存储器读出指令码，而P2口输出程序计数器中的高八位地址（PCH）保持不变。最后，用作为选通EPROM/EEPROM的信号，将指令码读入单片机。访问外部程序存储器的时序如图8-5所示。图8-5 外部程序存储器取指时序图MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。 地址锁存器可使用74LS373或8282等，G或STB称为锁存允许控制端。8.2.2 地址锁存器图8-6 8051单片机P0口及ALE信号与地址锁存器连接图8-7 常用EPROM芯片管脚图

8、一、程序存储器一般采用ROM (Read Only Memory)芯片，国内经常使用的是EEPROM芯片。8.2.3 EPROM扩展电路二、典型的EPROM扩展电路2764A与8051单片机的硬件连接图如图8-8所示 图8-8 扩展2764A电路原理图u2764是一个8KB容量的EPROM芯片，共有13根地址线，地址锁存器采用的是8282。u由于系统中只扩展一片程序存储器，故2764A的片选端接地，其地址范围为0000H1FFFH。8.3 外部数据存储器的扩展8051单片机内部有128个字节RAM存储器，而且CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令，使用非常灵活方便。u在实时数据采集和处理等场合

9、时，仅靠内片提供的128个字节的数据存储器远远不够。u利用MCS-51的扩展功能对外部数据存储器进行扩展。u常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM，在单片机应用系统中，小容量数据存储器扩展一般采用静态RAM来实现。8051单片机扩展外部RAM的电路原理图如下图所示。8.3.1外部数据存储器的扩展在8051单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无需考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116、6264和62256等。1、6264静态RAM芯片介绍6264是8K8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，5V电源供电，其28脚双列直插式

10、封装的管脚配置如图8-12所示。表8-1为6264的操作方式。8.3.2 静态RAM扩展图8-11 6264管脚配置管脚配置图，其中A0A12：13根地址线；I/O0I/O7：双向数据线；/CE1和CE2：片选信号线；/RD：读允许信号线；/WR：写信号线。表8-1 6264操作方式：/WE/CE1CE2/OE方式I/O0I/O7H未选中高阻L未选中高阻HLHH输出禁止高阻HLHL读DOUTLLHH写DIN2、6264与单片机的接口设计6264与8051的硬件基本连接如图8-12所示。其中，6264的片选接8051的P2.7，第二片选线CE2接高电平，保持一直有效状态。6264为8KB容量的R

11、AM，共有13根地址线。8051在访问6264时，可以采用以下指令：MOVX DPTR, A ；A中内容传至外部RAMMOVX A , DPTR；外部RAM内容读至A中对于图8-12所示的线路，6264的地址范围可设定6000H7FFFH，共8K字节 图8-12 扩展6264静态RAM原理图电擦除可编程只读存储器EEPROM，它兼有ROM的数据掉电不丢失和RAM的可改写功能，能在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保持修改结果。EEPROM自问世以来，在智能化仪器仪表、控制装置、开发系统中得到了广泛应用。EEPROM的应用特性：1对硬件电路没有特殊要求，操作十分简便。由于EEPROM片

12、内设有编程所需的高压脉冲产生电路，因而无需外加编程电源和编程脉冲即可完成写入工作。8.3.3 EEPROM扩展2对于EEPROM电擦除，通常不需设置单独的擦除操作，而在写入的过程中自动擦除（传统EPROM芯片的擦除需经紫外线照射）。3将EEPROM作为程序存储器使用时，EEPROM应按程序存储器连接方法编址。如果作为数据存储器使用，可按外部扩展数据存储器的连接方法进行编址。8.4 外部I/O口的扩展 MCS-51单片机本身可提供给的输入/输出口线并不多，只有P1口和部分P3口线。因此，在很多应用系统设计中都不可避免的要进行I/O口的扩展。 由于MCS-51的外部数据存储器RAM和I/O口是统一

13、编址的，因此，用户可以把外部64K字节的数据存储器RAM空间的一部分作为扩展外围I/O的地址空间。这样，单片机就可以象访问外部RAM存储器那样访问外部I/O接口芯片，对其进行读/写操作。外部扩展I/O口方法：1、利用一些常规的中小规模集成电路，如74LS系列的TTL电路或HCMOS电路等作为MCS-51的扩展I/O口；2、应用一些专用外围接口芯片，如8155、8255、8279等作为单片机的接口电路；3、另外，利用单片机本身的串行口的工作方式0也可扩展并行输入/输出口。由于MCS-51单片机访问程序存储器与数据存储器时使用不同控制信号，因此程序存储器与数据存储器之间不会因为地址重叠而产生数据冲

14、突问题。外围I/O芯片与数据存储器是统一编址的，唯一地选中外部某一存储单元（或I/O端口），必须进行片选和字选。片选，即选择出存储器芯片（或I/O接口芯片）；字选，即选择出该芯片中的某一存储单元（或I/O接口芯片中的某个寄存器）。8.4.1 I/O口地址译码技术1线选法把单独的地址线（通常是P2口的某一根线）接到外围芯片的片选端上，若芯片的片选允许信号为低电平有效，则当该地址线为低电平时，就选中该芯片。应用系统中，若只扩展少量的RAM和I/O接口芯片，可采用线选法。其特点是：硬件电路结构简单，但由于所用片选线都是高位地址线，地址空间没有充分利用，且芯片之间的地址不连续。注意：所有线选芯片不能出

15、现同时选中，以免造成系统总线操作的混乱。2全地址译码法 对于RAM和I/O接口芯片数目较多的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，常采取全地址译码法。 它将低位地址线作为芯片的片内地址用译码器对高位地址线进行译码，译出的信号作为片选线。常采用74LS138、74LS139或可编程逻辑阵列等器件作地址译码器，利用译码器的输出信号作为外部扩展器件的片选控制信号。 全地址译码法的特点是：地址空间可充分利用，且芯片之间的地址可连续，但需要增加硬件译码电路。对于8051或8751单片机来说，当无需外部扩展时，P0口、P1口、P2口和P3口均可作为通用I/O口使用。对于8031单片机来说，其

16、P0口和P2口仅能用来作为外部程序存储器、数据存储器和扩展I/O接口的数据和地址线，而不能直接用来作为输入/输出口；其中P1口和P3口部分引脚可直接用作I/O口。一、 I/O口的直接输人/输出由于8051的P0P3口输入数据时可以缓冲，输出时能够锁存，并且有一定的带负载能力，所以，在有些场合I/O口可以直接连接外部设备，如开关、键盘、LED发光二极管和打印机等。直接利用8051单片机与开关和发光二极管的接口电路如图8-13所示。8.4.2 简单I/O口扩展图8-13 8051单片机与开关和LED接口利用8051单片机P1口的P1.0Pl.3作为数据输入口，连接到四个开关K1K4；P1.4P1.

17、7作为输出口，连接到发光二极管LED1LED4。编写一段程序，使开关K1K4所表示的0或1的开关量，由P1.0Pl.3输入，再利用P1.4P1.7输出开关量到发光二极管上显示出来。在执行程序时，不断改变开关K1K4的状态，可观察到发光二极管LED1LED4的状态随K1K4的状态而发生变化。开关状态输入显示实验参考程序如下： LEDP： MOV P1，#0FFH ；P1口为输入LOOP： MOV A，P1 ；开关状态读入SWAP A ；高低半字节交换ORL A，#0FH ；提取读入的开关状态MOV P1，A ；开关输出，控制LED1LED4显示SJMP LOOP ；循环二、简单I/O接口的扩展方

18、法 在很多应用系统中，采用74系列TTL电路或4000系列CMOS电路芯片，可实现将并行数据输入或输出。 在图8-14中，采用74LS244作扩展输入，74LS244是一个三态输出八缓冲器及总线驱动器，它带负载能力强。利用74LS273锁存器作扩展输出，它们直接挂在P0口线上。图8-14 74系列芯片I/O扩展8051单片机把外扩I/O口和片外RAM统一编址，每个扩展的接口相当于一个扩展的外部RAM单元，访问外部接口就象访问外部RAM一样，用的都是MOVX指令，并产生（或）信号。用（或）作为输入/输出控制信号。图8-14中，P0口为双向数据线，既能从74LS244输入数据，又能将数据传送给74

19、LS273输出。输出控制信号由P2.7和信号合成。当二者同时为“0”电平时，“或非门”输出“1”，将P0口数据锁存输出到74LS273，其输出控制发光二极管LED，当某线输出“0”电平时，该线上的LED发光。TEST： MOV DPTR, #7FFFFH；指针指向扩展I/O口地址MOVX A , DPTR ；从244读入数据，检测按键MOVX DPTR , A ；向273输出数据，驱动LEDSJMP TEST ；循环从这个程序可看出，对于接口的输入/输出就像从外部RAM读/写数据一样方便。如果应用系统需要，还可扩展多片74LS244、74LS273之类的芯片。但要注意作为输入口时，一定要求选择

20、具有三态功能的芯片，否则总线的正常工作将受到影响。一、8155芯片介绍 Intel 8155芯片内包含有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程并行I/O口和1个14位定时器/计数器。 8155可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8155芯片中既有RAM，又具有I/O口，因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。 图8-15为8155芯片的引脚和内部结构图：8.4.3 8155可编程并行扩展接口芯片图8-15 8155芯片的引脚和内部结构图1引脚说明8155共有40个引脚，采用双列直插式封装。各引脚功能如下：uAD7AD0：地址数据总线。单片机和81

21、55之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它传送。u/CE：片选信号线，低电平有效。u/RD：存储器读信号线，低电平有效。u/WR：存储器写信号线，低电平有效。uALE：地址锁存允许信号线，高电平有效，其后沿将地址及片选信号锁存到器件中。uPA7PA0：A口输入/输出线。uPB7PB0：B口输入/输出线。uPC5PC0：C口输入/输出或控制信号线。uTIMERIN：定时器/计数器输入端。uTIMEROUT：定时器/计数器输出端。uRESET：复位信号线。uIO/M：I/O接口与存储器选择信号线，高电平表示选择I/O接口，低电平选择存储器。当IO/M=0（低电平）时，表示AD7AD0输入的是存

22、储器地址，寻址范围为00HFFH。当IO/M=1（高电平）时，表示AD7AD0输入的是I/O接口地址，其编码如表8-2所示。其中A7A3可经译码器进行译码，产生片选信号，内部寄存器和口地址由A2A0给出。表8-2 8155 I/O接口地址编码AD7AD0寄存器A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0命令/状态寄存器（命令状态口） 0 0 1A口（PA7PA0） 0 1 0B口（PB7PB0） 0 1 1C口（PC5PC0） 1 0 0定时器低8位 1 0 1定时器高6位和2位方式位2工作方式在8155的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。 8155的

23、工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。 控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置PA口、PB口和PC口的工作方式。第4、5位用来确定PA口、PB口以选通输入/输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。工作方式控制字的格式如下 D7D6D5D4D3D2 D1 D0TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PA 控制字各位的功能分别为：（1）TM2、TM1：定时器/计数器命令。“00”表示不影响定时器/计数器操作；“01”定时器/计数器停止工作；“10”在定时器/计数器溢出后停止工作；“11”置方式和长度后立即启动，

24、若正在工作，在溢出后置新的方式和长度后重新启动。（2）IEB：PB口中断允许控制。“0”表示禁止PB口中断，“1”表示允许PB口中断。（3）IEA：PA口中断允许控制。“0”表示禁止PA口中断，“1”表示允许PA口中断。（4）PC2、PC1：PC口工作方式选择。 “00”表示方式1，PA、PB口为基本输入/输出，PC口为输入； “01”表示方式2，PA、PB口为基本输入/输出，PC口为输出；“10”表示方式3，PA口为选通输入/输出，PB口为基本输入/输出，PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，PC3PC5为输出；“11”表示方式4，PA、PB口均为选通输入/输出，PC0为AI

25、NTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为BSTB。（5）PB：PB口工作方式。“0”表示PB口输入，“1”表示PB口输出。（6）PA：PA口工作方式。“0”表示PA口输入，“1”表示PA口输出。 8155的PA口、PB口可工作于基本I/O方式或选通方式，PC口可作为输入/输出口线，也可作为PA口、PB口选通方式工作时的状态控制信号线。 8155中还设置有一个状态标志寄存器，用来存放PA口和PB口的状态标志。 状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU可以直接查询，只能读出，不能写入。状态标志寄存器的格式如下：D7D6D5D4D3D2 D1

26、D0X TIMER INTE-B BF-B INTR-B INTE-A BF-A INTR-A 其中，INTR-A、INTR-B分别为PA口、PB口的中断请求标志位；INTE-A、INTE-B分别为PA口、PB口的中断允许标志位；BF-A、BF-B分别为PA口、PB口的缓冲器满标志；TIMER为定时中断标志。D7D6D5D4D3D2 D1 D0M2M1 T13 T12 T11 T10 T9 T8 3定时器/计数器在8155中还设置有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由计数寄存器的计数控制字来确定，计数寄存器的格式如下：（1）T13T0：计数长度。可表示的长度范围为2H3FFFH。（2）M2、M1：用来设置8155定时器的输出方式。“00”表示单