单片机原理及应用(C51版)第6章单片机的系统扩展

1、 第第6 6章章 单片机的系统扩展单片机的系统扩展 6.1 6.1 单片机系统扩展概述单片机系统扩展概述 6.2 6.2 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 6.3 6.3 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 6.4 I/O 6.4 I/O端口的扩展端口的扩展6.1 6.1 单片机系统扩展概述单片机系统扩展概述 当单片机最小应用系统不能满足实际应用系统要求当单片机最小应用系统不能满足实际应用系统要求时，需要在单片机外部连接相应的外围芯片以满足应用时，需要在单片机外部连接相应的外围芯片以满足应用系统的要求。系统的要求。MCS-51MCS-51系列单片机具有很强的系统扩展能系列单片机具有很强的系统扩展

2、能力，可以扩展力，可以扩展64KB64KB的程序存储器和的程序存储器和64KB64KB的数据存储器或的数据存储器或输入输出口。输入输出口。 扩展的内容主要有总线、程序存储器、数据存储器、扩展的内容主要有总线、程序存储器、数据存储器、I/OI/O口扩展等。口扩展等。 在在5151单片机扩展系统中，往往既需要扩展程序存储器，单片机扩展系统中，往往既需要扩展程序存储器，又需要扩展数据存储器，同时还需要扩展又需要扩展数据存储器，同时还需要扩展I/OI/O接口，而且接口，而且往往需要同时扩展多片。外部扩展往往需要同时扩展多片。外部扩展I/OI/O口占用外部存储器口占用外部存储器地址空间，与外部存储器统一

3、编址。地址空间，与外部存储器统一编址。1. 1. 单片机扩展系统地址空间编址方法单片机扩展系统地址空间编址方法 所谓编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当地所谓编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当地连接，使外部存储器的每一个单元，或扩展连接，使外部存储器的每一个单元，或扩展I/OI/O接口的每一接口的每一个端口都对应一个地址。编址方法分为两步：存储器（个端口都对应一个地址。编址方法分为两步：存储器（I/OI/O接口）芯片编址和芯片内部存储单元编址。接口）芯片编址和芯片内部存储单元编址。 （1 1）线选法）线选法 所谓线选法就是所谓线选法就是MCS-51MCS-51单片机单片机P2P2口未

4、被扩展芯片地址口未被扩展芯片地址线占用的地址总线直接与外接芯片的片选端相连，只要某线占用的地址总线直接与外接芯片的片选端相连，只要某位地址总线为低电平，与该地址总线相连的外接芯片就被位地址总线为低电平，与该地址总线相连的外接芯片就被选中。选中。 线选法的特点是连接简单，不必专门设计逻辑电路，线选法的特点是连接简单，不必专门设计逻辑电路，但是各个扩展芯片占有的空间地址不连续，因而地址空间但是各个扩展芯片占有的空间地址不连续，因而地址空间利用率低。适用于扩展地址空间容量不太大的场合。利用率低。适用于扩展地址空间容量不太大的场合。 （2 2）译码法）译码法 译码法就是译码法就是MCS-51MCS-5

5、1单片机单片机P2P2口未被扩展芯片地址线占口未被扩展芯片地址线占用的地址总线首先经译码器译码，译码输出信号线再与外用的地址总线首先经译码器译码，译码输出信号线再与外接芯片的片选端相连，只要某位译码输出信号为低电平，接芯片的片选端相连，只要某位译码输出信号为低电平，与译码输出信号相连的外接芯片就被选中。与译码输出信号相连的外接芯片就被选中。 译码法的特点是在译码法的特点是在P2P2口未被扩展芯片地址线占用的地口未被扩展芯片地址线占用的地址总线数量相同的情况下，可以比线选法扩展更多的芯片，址总线数量相同的情况下，可以比线选法扩展更多的芯片，而且可以使各个扩展芯片占有的空间地址连续，因而适用而且可

6、以使各个扩展芯片占有的空间地址连续，因而适用于扩展芯片数量多、地址空间容量大的复杂系统。于扩展芯片数量多、地址空间容量大的复杂系统。 2. 2. 单片机系统扩展常用接口芯片单片机系统扩展常用接口芯片 （1 1）常用输出接口芯片）常用输出接口芯片 扩展扩展8 8位输出口常用的锁存器有位输出口常用的锁存器有74LS27374LS273、74LS37774LS377以以及带三态门的及带三态门的8D8D锁存器锁存器74LS37374LS373等。等。 （2 2）常用输入接口芯片）常用输入接口芯片输入口常用的三态门电路有输入口常用的三态门电路有74LS24474LS244、74LS24574LS245和

7、和74LS37374LS373等。等。 3. 3. 单片机扩展后的系统结构单片机扩展后的系统结构 CPU CPU一般外部都有地址总线、数据总线和控制总线，一般外部都有地址总线、数据总线和控制总线，而而MCS-51MCS-51系列单片机由于受管脚数量的限制，数据总线和系列单片机由于受管脚数量的限制，数据总线和地址总线复用地址总线复用P0P0口。在使用时，为了和外部电路正确连接，口。在使用时，为了和外部电路正确连接，需要在单片机外部增设一片地址锁存器需要在单片机外部增设一片地址锁存器 （如（如 74LS37374LS373），构成与一般），构成与一般CPUCPU类似的片外三总线。类似的片外三总线。

8、 MCS-51系列单片机扩展三总线系列单片机扩展三总线 （1 1）地址总线（）地址总线（ABAB）MCS-51MCS-51系列单片机地址总线宽为系列单片机地址总线宽为1616位，所以可寻址范围为位，所以可寻址范围为216=64KB216=64KB。1616位地址总线由位地址总线由P0P0口提供低口提供低8 8位位A0A0A7A7，P2P2口口提供高提供高8 8位位A8A8A15A15。 P2P2口具有输出锁存功能口具有输出锁存功能 。地址总线。地址总线是单向的，只能由单片机向外发送是单向的，只能由单片机向外发送 。（2 2）数据总线（）数据总线（DBDB）数据总线由数据总线由P0P0口提供，其

9、宽度为口提供，其宽度为8 8位，用于单片机与外部位，用于单片机与外部存储器和存储器和I/OI/O设备之间传送数据。设备之间传送数据。P0P0口为三态双向口，可口为三态双向口，可以进行两个方向的数据传送以进行两个方向的数据传送 。（3 3）控制总线（）控制总线（CBCB）控制总线是单片机发出的控制片外存储器和控制总线是单片机发出的控制片外存储器和I/OI/O口读口读/ /写操写操作的一组控制线作的一组控制线 ，其中包括以下控制信号线：，其中包括以下控制信号线：ALEALE、 PSENEARDWR6.2 6.2 程序存储器的扩展程序存储器的扩展6.2.1 6.2.1 常用的程序存储器常用的程序存储

10、器1. EPROM1. EPROMEPROMEPROM是紫外线擦除的可编程只读存储器，掉电后信息不是紫外线擦除的可编程只读存储器，掉电后信息不会丢失。会丢失。EPROMEPROM中的程序需要由专门的编程器写入，许多中的程序需要由专门的编程器写入，许多单片机开发装置具有单片机开发装置具有EPROMEPROM写入功能。写入功能。(1) EPROM(1) EPROM的型号和特性的型号和特性常用的常用的EPROMEPROM有有27162716、27322732、27642764、2712827128、2725627256、2751227512等等 。 常用常用EPROM的引脚的引脚 (2) EPROM

11、 (2) EPROM的工作方式的工作方式 EPROM EPROM的主要工作方式有编程方式、编程校验方式、的主要工作方式有编程方式、编程校验方式、读出方式、维持方式、编程禁止方式等。读出方式、维持方式、编程禁止方式等。 2. EEPROM 2. EEPROM EPROM EPROM的缺点是无论擦除或写入都需要专用设备，即的缺点是无论擦除或写入都需要专用设备，即使写错一个字节，也必须全片擦掉后重写，从而给使用使写错一个字节，也必须全片擦掉后重写，从而给使用带来不便。带来不便。EEPROMEEPROM是电擦除可编程存储器，掉电后信息是电擦除可编程存储器，掉电后信息不会丢失不会丢失 。 (1) EEP

12、ROM (1) EEPROM的型号与特性的型号与特性 常用的并行常用的并行EEPROMEEPROM有有28162816（2KB2KB8 8）、）、28172817（2KB2KB8 8）、）、28642864（8KB8KB8 8）、）、2825628256（32KB32KB8 8）、）、2801028010（128KB128KB8 8）、）、2804028040（512KB512KB8 8）等。）等。 (2) EEPROM (2) EEPROM的工作方式的工作方式 EEPROM EEPROM的工作方式主要有读出、写入、维持三种的工作方式主要有读出、写入、维持三种 。6.2.2 6.2.2 程序存

13、储器的扩展程序存储器的扩展1. 1. 访问外部程序存储器的操作时序访问外部程序存储器的操作时序MCS-51MCS-51的外部程序存储器读操作时序如图所示。的外部程序存储器读操作时序如图所示。 MCS-51访问外部程序存储器时序访问外部程序存储器时序2. 2. 程序存储器扩展的一般方法程序存储器扩展的一般方法 单片机扩展外部程序存储器（单片机扩展外部程序存储器（EPROMEPROM）的一般连接方法）的一般连接方法如图所示。如图所示。MCS-51单片机扩展程序存储器的一般连接方法单片机扩展程序存储器的一般连接方法3. 3. 扩展举例扩展举例外部存储器的扩展可通过线选方式或译码方式实现片选。外部存储

14、器的扩展可通过线选方式或译码方式实现片选。 【例例】扩展扩展4KB EPROM4KB EPROM的的80518051系统。采用线选方式对系统。采用线选方式对80518051扩展一片扩展一片2732EPROM2732EPROM的连线图。的连线图。图中锁存器采用图中锁存器采用74LS37374LS373，80518051的的P2.0P2.0P2.3P2.3用作用作27322732的地址线，的地址线，其余其余P2.4P2.4P2.7P2.7中的任一根都可作中的任一根都可作为为27322732的片选信号线，片选信号决的片选信号线，片选信号决定了定了27322732的的4KB4KB存储器在整个存储器在整

15、个80518051扩扩展程序存储器展程序存储器64KB64KB空间中的位置。空间中的位置。图中选用图中选用P2.7P2.7作为作为27322732的片选信号的片选信号线，则线，则2732 EPROM2732 EPROM的地址范围为的地址范围为0000H0000H0FFFH0FFFH。扩展扩展4KB EPROM的的8051系统系统6.3 6.3 数据存储器的扩展数据存储器的扩展6.3.1 6.3.1 常用的数据存储器常用的数据存储器 单片机外部数据存储器的扩展芯片大多采用单片机外部数据存储器的扩展芯片大多采用SRAMSRAM，根，根据需要也可采用据需要也可采用EEPROMEEPROM或其他非易失

16、随机存储器（或其他非易失随机存储器（NV-NV-SRAMSRAM）芯片。）芯片。常用的常用的SRAMSRAM有有61166116、62646264、6225662256等，它们的引脚图如图等，它们的引脚图如图所示所示。常用常用SRAM引脚图引脚图6.3.2 6.3.2 数据存储器的扩展数据存储器的扩展1. 1. 数据存储器扩展的一般方法数据存储器扩展的一般方法 MCS-51 MCS-51单片机扩展外部数据存储器的一般连接方法如单片机扩展外部数据存储器的一般连接方法如图所示。图所示。 MCS-51单片机扩展数据存储器的一般连接方法单片机扩展数据存储器的一般连接方法2. 2. 访问外部访问外部RA

17、MRAM的操作时序的操作时序MCS-51MCS-51对外部数据存储器的访问指令有以下四条：对外部数据存储器的访问指令有以下四条： MOVXMOVX A, A, RiRi MOVX MOVX RiRi, A, A MOVX MOVX A, DPTRA, DPTR MOVX MOVX DPTR, ADPTR, AMCS-51MCS-51访问外部数据存储器的时序图。访问外部数据存储器的时序图。MCS-51系列单片机的外部数据存储器读系列单片机的外部数据存储器读/写时序写时序3. 3. 扩展举例扩展举例 用用2 2片片61166116为为80518051扩展扩展4KB4KB的的RAMRAM系统。系统。

18、 下图为下图为80518051扩展扩展4KB4KB的的RAMRAM系统连接图。图中采用系统连接图。图中采用P2.3P2.3作为作为6116(1)6116(1)的片选信号线，其地址范围为的片选信号线，其地址范围为1000H1000H17FFH17FFH；P2.4P2.4作为作为6116(2)6116(2)的片选信号线，其地址范围为的片选信号线，其地址范围为0800H0800H0FFFH0FFFH。扩展扩展4KB RAM的的8051系统系统6.4 I/O6.4 I/O端口的扩展端口的扩展6.4.1 6.4.1 简单并行简单并行I/OI/O口的扩展口的扩展 当应用系统需要扩展的当应用系统需要扩展的I

19、/OI/O口数量较少而且功能单一口数量较少而且功能单一时，可采用锁存器、三态门等构成简单的时，可采用锁存器、三态门等构成简单的I/OI/O接口芯片。接口芯片。 1. 1. 并行输出口的扩展并行输出口的扩展 扩展扩展8 8位输出口常用的锁存器有位输出口常用的锁存器有74LS27374LS273、74LS37774LS377以及带以及带三态门的三态门的8D8D锁存器锁存器74LS37374LS373等。等。 （1 1）使用）使用74LS27374LS273对并行输出口的扩展对并行输出口的扩展74LS27374LS273是带清除端的是带清除端的8D8D触发器，上升沿触发，具有锁存功触发器，上升沿触发

20、，具有锁存功能。能。 （2 2）使用）使用74LS37774LS377对并行输出口的扩展对并行输出口的扩展74LS37774LS377是带有输出允许控制的是带有输出允许控制的8D8D触发器，上升沿触发触发器，上升沿触发 。 2. 2. 并行输入口的扩展并行输入口的扩展扩展扩展8 8位并行输入口常用的三态门电路有位并行输入口常用的三态门电路有74LS24474LS244、74LS24574LS245和和74LS37374LS373等。等。 （1 1）使用）使用74LS24474LS244对并行输入口的扩展对并行输入口的扩展 74LS244 74LS244是一种三态输出的是一种三态输出的8 8位总

21、线缓冲驱动器，无锁位总线缓冲驱动器，无锁存功能存功能 。 （2 2）使用）使用74LS24574LS245对并行输入口的扩展对并行输入口的扩展 74LS245 74LS245是三态输出的是三态输出的8 8位总线收发器位总线收发器/ /驱动器，无锁驱动器，无锁存功能。存功能。 6.4.2 81556.4.2 8155可编程多功能接口的扩展可编程多功能接口的扩展 8155 8155除了有除了有3 3个可编程并行个可编程并行I/OI/O端口外，还有端口外，还有256256字节的字节的RAMRAM和一个计数器和一个计数器/ /定时器，特别适合于单片机系统在扩展定时器，特别适合于单片机系统在扩展I/OI

22、/O口的同时，还需扩展少量口的同时，还需扩展少量RAMRAM和计数器和计数器/ /定时器的场合。定时器的场合。 1. 8155 1. 8155的结构的结构 它由下列三部分组成：它由下列三部分组成： 1 1）存储器：）存储器： 容量为容量为2562568 8位的静态位的静态RAMRAM。 2 2）I/OI/O接口：接口： 端口端口A A（PAPA）：可编程）：可编程8 8位位I/OI/O口口PA0PA0PA7PA7。 端口端口B B（PBPB）：可编程）：可编程8 8位位I/OI/O口口PB0PB0PB7PB7。 端口端口C C（PCPC）：可编程）：可编程6 6位位I/OI/O口口PC0PC0

23、PC5PC5。 3 3）计数器）计数器/ /定时器：定时器： 一个一个1414位二进制减位二进制减1 1可编程计数器可编程计数器/ /定时器。定时器。 2. 8155 2. 8155的引脚功能的引脚功能 AD0 AD0AD7AD7：双向三态地址：双向三态地址/ /数据总线，与单片机的地址数据总线，与单片机的地址/ /数据总线相连接。低数据总线相连接。低8 8位地址在位地址在ALEALE信号的下降沿锁存到信号的下降沿锁存到81558155内部地址锁存器，该地址可作为存储器的内部地址锁存器，该地址可作为存储器的8 8位地址，也位地址，也可作为可作为I/OI/O口地址；口地址； ALE ALE：地址

24、锁存允许信号输入线。：地址锁存允许信号输入线。 读信号输入线，低电平有效。读信号输入线，低电平有效。 写信号输入线，低电平有效。写信号输入线，低电平有效。 PA0 PA0PA7PA7：8 8位并行位并行I/OI/O线，数据的输入或输出方向由线，数据的输入或输出方向由命令字决定。命令字决定。 RDRDRD PB0 PB0PB7PB7：8 8位并行位并行I/OI/O线，数据的输入或输出方向由线，数据的输入或输出方向由命令字决定。命令字决定。 PC0 PC0PC5PC5：6 6位并行位并行I/OI/O线，既可作为线，既可作为6 6位通用位通用I/OI/O口，口，工作在基本输入输出方式，又可作为工作在

25、基本输入输出方式，又可作为PAPA口和口和PBPB口工作在选口工作在选通方式下的控制信号，这由命令字决定。通方式下的控制信号，这由命令字决定。 TIMER IN TIMER IN（简写为（简写为TINTIN）：计数器）：计数器/ /定时器的计数脉冲定时器的计数脉冲输入线。输入线。 TIMER OUT TIMER OUT（简写为（简写为TOUTTOUT）：计数器）：计数器/ /定时器的输出线，定时器的输出线，由计数器由计数器/ /定时器的寄存器决定输出信号的波形。定时器的寄存器决定输出信号的波形。RESETRESET为为复位信号输入线，高电平有效，脉冲典型宽度为复位信号输入线，高电平有效，脉冲典

26、型宽度为600ns600ns。在。在该信号作用下，该信号作用下，81558155将复位，命令字被清将复位，命令字被清0 0，三个，三个I/OI/O口被口被置为输入方式，计数器置为输入方式，计数器/ /定时器停止工作。定时器停止工作。 VccVcc：5V5V电源；电源； GND GND（VssVss）：接地端。）：接地端。 其他引脚参看教材。其他引脚参看教材。 3. 8155 3. 8155的的RAMRAM和和I/OI/O口寻址口寻址 8155 8155的的I/OI/O口、口、RAMRAM和定时器和定时器/ /计数器在单片机应用系统计数器在单片机应用系统中是按外部数据存储器统一编址的，为中是按外部数据存储器统一编址的，为1616位地址数据位地址数据 。 4. 8155 4. 8155的命令字和状态字以及的命令字和状态字以及I/OI/O口工作方式口工作方式 (1) 8155(1) 8155的命令字和状态字的命令字和状态字 8155 8155的的PAPA口、口、PBPB口、口、PCPC口以及计数器口以及计数器/ /定时器都是可编定时器都是可编程的。程的。CPUCPU通过将用户设定的命令字写入命令字寄存器实现通过将用户设定的命令字写入命令字寄存器实现对它们的工作方式选择，通过从状态字寄存器读出的状态对它们的工作方式选择，通过从状态字寄存器读出的状态字来判别它们的状态。命令字和