第六章MCS51存储器和IO扩展

第六章MCS-51存储器和I/O扩展

§6-1存储器扩展 §6-2并行I/O口扩展§6-1存储器扩展

一、MCS-51总线扩展结构 1、单片机系统结构 2、单片机总线扩展结构 （1）

地址线与存储器容量的关系 A7~A0： 8根地址线， 有 28=256个单元 A9~A0： 10根地址线， 有 210=1KB A10~A0： 11根地址线， 有 211=2K A11~A0： 12根地址线， 有 212=4K A12~A0： 13根地址线， 有 213=8K等等 （2）16位地址/8位数据的形成

51系列单片机P0口和P2口既是通用I/O口，同时P0口还是分时复用的双向数据总线和低8位地址总线（一般需要加一级锁存器），而P2口则是高8位地址总线。

低8位地址和数据的区分：ALE高电平信号与P0口有效地址信号同时出现，ALE下降沿时锁存低8位地址，ALE低电平时P0口为数据。 高8位地址的形成：有P2口送出高8位地址，A15~A8，在执行MOVX、MOVC指令时P2口数据作为地址送出，常用来作为RAM、ROM的片选信号。（3）地址锁存器---74LS373（8D三态同相锁存器） ①引脚功能： D7~D0：8位并行数据输入端 Q7~Q0：8位并行数据输出端G： 为1时D端数据=Q端数据，为0时Q端数据保持。：片选端，低电平有效 ②74LS373的引脚和示意图：

③真值表： G D Q L H H H L H L L L L × 不变 H × × 高阻 3、典型RAM和ROM芯片介绍 1)

半导体存储器的分为：RAM和ROM。RAM分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。目前计算机内的主存储器都是DRAM。图示为静态RAM的原理图2）6116的引脚结构如下图所示6116----2KSRAM6116引脚功能A0~A10地址线CE选片OE读D0~D7数据线A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccA8A9WEOEA10CED7D6D5D4D36116写WE3）ROM的组成结构 典型的EPROM芯片有Intel公司的2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)、27128(16K×8)、27256(32K×8)、27512(64K×8)等。2732---4KEPROM2732引脚功能A0-A11地址线CE选片OE/Vpp输出允许/编程电源O0-O7数据线A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GNDVccA8A9A11OE/VppA10CEO7O6O5O4O32732二、存储器扩展的基本方法 1、存储器扩展的基本问题。

1）扩展容量：16根地址线最大可扩展到64K

2）扩展要解决的问题：地址线、扩展芯片在64K范围内所占的地址范围

3）存储器扩展的编址：存储芯片片的选择、片内单元的编址

4）选择芯片的方法：片选技术 2、存储器扩展的片选技术 一般产生片选有两种方法:线选法和译码法。（1）线选法 线选法用低位地址线对片内的存储单元进行寻址，所需的地址线由片内地址线决定，用余下的高位地址线分别接至芯片的片选端，以区分各芯片的地址范围。例如要扩展8K容量的外RAM，地址线和片选如下： 地址线：log2(8K)＝log2（213）＝13条(A12～A0)

片选线：余下的A15～A13分别接至芯片的片选端。A15～A13轮流 出现低电平，可保证一次只选一片。

用线选法扩展存储器的缺点 ①

各芯片间地址不连续。而习惯上使用连续地址,如24K范围地址从0000H到5FFFH。

②

有相当数量的地址不能使用,否则造成片选混乱。 例6-1扩展三片2K存储芯片，试用线选法给出接线图和地址。分析：显然要11根地址线和3根片选线，分配如下低位地址线：P0.7~P0.0--A7~A0，P2.2~P2.0--A10~A8， 合成11根地址线；高位地址线：P2.5、P2.4、P2.3--A13、A12、A11，作3片的片选，余下：P2.7、P2.6不用，取00 扩展接线结构如图：编址： P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0P0.7~P0.0 1号片0 01 1 000000H 0 011 0111FFH2号片 0 01 0 100000H 0 01 0 1111FFH3号片 0 00 1 100000H 0 001 1111FFH 显然，三片的地址范围是： 1号片 3000H~37FFH 2号片 2800H~2FFFH 3号片 1800H~1FFFH （2）译码法

译码法将低位地址总线直接连至各芯片的地址线,将高位地址总线经地址译码器译码后作为各芯片的片选信号。 一般使用2/4译码器、3/8译码器，对P2口高位地址线进行译码，适用于大规模扩展。

2/4译码器、3/8译码器的引脚图：如图所示

74LS13974LS138

ABCG2AG2BGY7GNDVccY0Y1Y2Y3Y4Y5Y61162153144135126117108974LS138

1G1A1B1Y01Y11Y21Y3GNDVcc2G2A2B2Y02Y12Y22Y31162153144135126117108974LS13974LS138真值表例如：在上例中同样扩展三片2K存储芯片，采用译码法

低位地址线：同前P0口A7~A0，P2口A10~A8，合成作为11根地址线 ①2/4译码器作为片选

高位地址线：P2口A12、A11，作为译码器输入，利用2/4译 码输出端Y0、Y1、Y2作为片选。 三个信号作为3片芯片的片选，实际上可选4片，本例只需3片 扩展接线结构如图：编址： P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0P0.7~P0.0 1号片0 00 0 000000H 0 00 0 0111FFH2号片 0 00 0 100000H 0 00 0 1111FFH3号片 0 00 1 000000H 0 00 1 0111FFH 显然，三片的地址范围是： 1号片 0000H~07FFH 2号片 0800H~0FFFH 3号片 1000H~17FFH②3/8译码器作为片选 高位地址线：P2口A13、A12、A11，作为译码器输入，利用 3/8译码输出端Y0、Y1、Y2三个信号作为3片 芯片的片选，实际上可选8片，本例只需3片 扩展接线结构如图：编址： P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0P0.7~P0.0 1号片0 000 000000H 0 00 0 0111FFH2号片 0 00 0100000H 0 000 1111FFH3号片 0 00 1 000000H0 001 0111FFH 显然，三片的地址范围是： 1号片 0000H~07FFH 2号片 0800H~0FFFH 3号片 1000H~17FFH三、存储器扩展实例

1、

扩展外ROM 1）扩展一片4K容量的EPROM，2732 地址线：A11~A0，共12根，接8031的P2.3~.P2.0，P0.7~P0.0 片选线：P2.7~P2.4，不用，取0值，2732片选端直接接地，常选中。

扩展接线结构如图：

数据线：P0.7~P0.0→2732的D7~D0 控制线：PSEN→2732的OE端，ALE→锁存器74LS373门控端G 2732的地址范围：0000H~0FFFH

2）线选法扩展二片2K容量的EPROM，2716，共4K 地址线：A10~A0，共11根，接8031的P2.2~P2.0，P0.7~P0.0

片选线：利用P2.3，加一个非门，接存储芯片的片选端，既 可完成2片的选择，而P2.7~2.4，取0值 数据线：P0.7~P0.0→分别接2片2732的D7~D0 控制线：PSEN→分别接2片2732的OE端 ALE→锁存器74LS373的门控端G

扩展的接线如下页图所示： 2732的地址范围：

1号片0000H~07FFH 2号片0800H~0FFFH扩展的接线如下页图所示：

2、

扩展外RAM 1）扩展一片2K容量的RAM，6116 地址线：A10~A0，共11根，接8031的P2.2~P2.0，P0.7~P0.0 片选线：P2.7~P2.3，不用，取0值，因为只扩展1片，6116片 选端直接接地，常选中 数据线：P0.7~P0.0→6116的D7~D0 控制线： WR→6116的WE端 RD→6116的OE端 ALE→锁存器74LS373的门控端G 6116的地址范围：0000H~07FFH

2）线选法扩展二片2K容量的RAM，6116，一片4K容量的 ROM，2716 接线图如下页所示：扩展一片2K容量的RAM，6116

线选法扩展二片2K容量，6116，一片4K容量，2716

2716：0000H~07FFH 6116（1）：0000H~07FFH 6116（2）：0800H~0FFFH§6-2并行I/O口扩展 一、用74系列器件扩展并行I/O口 常用并行I/O扩展芯片，如74LS244、74LS245、273、74LS377等 1、74LS273

2、74LS2443、扩展实例 高位地址组合法，如图所示：输入：74LS244扩展K0~K7 并由P2.0+RD端，全0时，74LS244选通读入 K0~K7状态。实现： MOV DPTR，#FEFFH

MOVX A，@DPTR ；读入输出：74LS273扩展LED0~LED7 并由P2.0+WR端，全0时，74LS273将P0口数据 送出，控制LED0~LED7实现： MOVX @DPTR，A ；输出二、可编程并行接口8255A

1、8255A的基本性能

可编程外设接口电路（ProgrammablePeripheralInterface)简称PPI，型号为8255（改进型为8255A及8255A-5），具有24条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路。

8255A具有三个相互独立的输入/输出通道： 通道A、通道B、通道C。

A，B，C三通道可以联合使用，构成单线、双线或三线联络信号的并行接口。 此时C口完全服务于A、B口。

A口有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。 B口有两种工作方式：方式0、方式1。 2、8255A内部结构

8255A内部结构由以下四部分组成：数据端口A、B、C；A组控制和B组控制；读/写控制逻辑电路；数据总线缓冲器。结构如图所示

（1）3个数据端口A、B、C，分为A、B两组。A组：PA7~PA0；PC7~PC4。B组：PC3~PC0；PB7~PB0。（2）A组控制和B组控制。这两组控制部件都从读/写控制逻辑接收命令，从内部数据总线接收控制字，并向有关的口发出适当的命令。（3）读/写控制逻辑。该部件的功能是管理所有的内部和外部的传送过程，包括数据及控制字。接收来自CPU地址总线和控制总线的输入信号，然后向A和B两组的控制部件发送命令。（4）数据总线缓冲器三态双响8位缓冲器。8255A的引脚分两部分：（1）与CPU相连。RESET： 复位，高电平有效。复位后所有内部寄存器清除，I/O口均被置成输入方式。D7~D0：数据线和系统总线相连。CS：片选，低电平有效。接地址译码器。A0、A1：口选线，用于选择3个数据口和控制字。RD：读允许，低电平有效。WD：写允许，低电平有效。（2）与外设相连。PA0~PA7：A端口；PB0~PB7：B端口；PC0~PC7：C端口。2、8255A的控制字与状态字8255A有三种工作方式可选择：方式0：基本的输入/输出方式；方式1：带选通的输入/输出方式；方式2：双向传输方式。（1）方式选择控制字设8255A地址为320~323；要求A口方式0输出；B口方式0输入；C口高4位输入；C口低4位输出。方式选择控制为8A。

10001010（2）C口个别位置1/置0控制字设8255A地址为320~323；要求PC7置1；PC3置0。

00001111（3）读C口的状态字方式1和方式2时，C口发送或者接收与外部设备进行联络的信号。方式1的输入状态字方式1输出状态字方式2状态字3、8255A的工作方式与操作时序（1）方式0基本输入/输出方式3个口都可提供简单的输入和输出操作。提供两个8位口（A和B）；提供两个4位口（PC0~3，PC4~7）。（2）方式1选通输入/输出方式A、B两口都可工作在该方式下，可以输入也可以输出；C口的某些位用来作为选通信号。输入输出时选通信号不同。选通输入方式C口状态字INTEAINTEBSTB：选通输入信号，低电平有效。有效时把输入装置的数据送入输入锁存器。IBF：输入缓冲器满信号，高电平有效。有效时，表示数据已输至输入锁存器。由STB信号置位，由RD信号的后沿使其复位。INTR：中断请求信号，高电平有效。是8255A向CPU发出的中断请求信号。当STB、IBF和INTE（中断允许）均为高时被置位，由RD信号的下沿清除。INTE：中断允许信号，高电平有效。由PC4和PC2来置位或清0。选通输出方式C口状态字INTEAINTEBOBF：输出缓冲器满信号，低电平有效。有效时表明CPU把数据输出给指定的端口，外设可以输出数据。ACK：外设响应信号，低电平有效。有效时，表示数据已被外设接受。INTR：中断请求信号，高电平有效。是8255A向CPU发出的中断请求信号。当INTE（中断允许）为高且ACK由低变高时被置位，由WR信号的下沿清除。INTE：中断允许信号，高电平有效。由PC6和PC2来置位或清0。（3）方式2双向传输方式只允许A口使用该方式，8位总线实现双向通信。INTRA：中断请求信号，高电平有效。输入输出均可采用该信号。OBFA：输出缓冲器满信号，低电平有效。表示CPU已把数据写入A口。ACKA：外设输入响应信号，低电平有效。有效边沿启动端口A的三态输出缓冲器，送出数据。INTE1：与OBFA有关的中断允许信号。STBA：外设送来的输入选通信号，低电平有效。IBFA：输入缓冲器满信号，高电平有效。INTE2：与IBFA有关的中断允许信号。8255A的A端口工作在方式2时，B端口可以工作在0或1方式。工作方式：

1）方式0

是一种基本输入或输出方式，它适用于无需握手信号的简单输入输出应用场合，端口A、B、C都可作为输入或输出数据使用，输出有锁存而输入无锁存。 2）方式1

也称选通的输入/输出方式。在这种方式下，无论是输入还是输出都通过应答关系实现，这时端口A或B用作数据口，端口C的一部分引脚用作握手信号线与中断请求线。 若端口A工作于方式1,则B可工作于方式0；·

若端口B工作于方式1,则A可工作于方式0或余下的13位可工作于方式0；·

若端口A和B同时工作于方式1,端口C余下的两位还可用于传送数据或控制信号。 3、MCS-51和8255A的接口方法 如图所示为MCS-51和8255A的一种接口逻辑。 PA口、PB口、PC口、控制口的地址分别为：7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。

假设图中8255A的PA口接一组开关，PB接一组指示灯，如果，要将MCS-51的寄存器R2的内容送指示灯显示，将开关状态读入MCS-51的累加器A，则8255初始化和输入/输出程序如下： ORG1000H R8255： MOVDPTR，#7FFFH； MOVA，#98H MOVX@DPTR,A MOVDPTR,#7FFDH MOVA,R2 MOV@DPTR,A MOVDPTR,#7FFCH MOVXA,@DPTR RET*三、可编程并行接口芯片8155

与8255A相比，8155具有更强的功能，可以扩展单片机的I/O口、定时器、外部数据存储器RAM。

1、8155芯片的构成 1）逻辑结构 2）引脚图 3）接口信号8155芯片的内部结构256B静态RAM

A

定时器B

C

口APA0~PA7口BPB0~PB7PC0~PC5口CIO/MAD0~AD7CEALERDWRRESET定时器输入定时器输出接单片机接外设接外设接外设8155引脚功能PC3PC4

PC5

IO/MCERDWRALEAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssVccPC2PC1PC0PB7PB6PB5PB4PB3PB2PB1PB0PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA08155TIMERINRESETTIMEROUTAD0-AD7三态地址/数据线IO/M端口/存储器选择RD读ALE地址锁存允许写WR选片CE定时器输入TIMERIN定时器输出TIMEROUTPA0-PA7A口端口线PB0-PB7B口端口线PC0-PC5C口端口线PA0-PA7端口A的I/O线（8位，接外设）PB0-PB7端口B的I/O线（8位，接外设）PC0-PC5端口C的I/O线（6位，接外设）AD0-AD7三态地址/数据复用线（8位，一般接单片机P0口，CPU与8155之间的地址、数据、命令、状态等信号都通过它来传送）端口/存储器选择控制“0”选择片内RAM“1”选择片内I/O口TIMERIN8155片内定时器/计数器的计数脉冲输入引脚TIMEROUT8155片内定时器/计数器的计满回零输出引脚分别是对8155片内的RAM或I/O口的的读、写控制信号ALE地址锁存引脚选片RESET复位引脚IO/MRD、WRCE

2、8155的RAM和I/O口地址

RAM地址----当IO/M加低电平： 此时AD0-AD7上得到的地址值是指8155的某一RAM单元的地址，地址范围是：00000000--11111111 分别指向8155RAM的256个存储单元。

I/O口地址----当IO/M加高电平： 此时AD0-AD7（仅用到低三位AD2、AD1、AD0）上得到的地址值是指8155的某一I/O口的地址，具体端口地址分配是：

8155的RAM和I/O口编址AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0I/O端口╳╳╳╳╳000命令/状态寄存器╳╳╳╳╳001PA口╳╳╳╳╳010PB口╳╳╳╳╳011PC口╳╳╳╳╳100计数器低8位╳╳╳╳╳101计数器高6位

3、8155的使用 1）8155内RAM的使用： 与一般外部数据存储器的使用基本一样，唯一区别是事先要使IO/M为低电平。

2）8155各端口的使用： A、B、C各端口可工作于不同的工作方式，使用前要进行初始化（写命令字到命令口）。

4、扩展电路的连接实例 1）以高位地址直接作为IO/M信号扩展，接口电路非常简单，基本上是相同信号对接，如图：80318155RESETRDWRALEP2.4P0.0P0.1P0.2P.03P0.4P0.5P0.6P0.7RESETRDWRALEIO/MCEAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7口APA0~PA7口BPB0~PB7PC0~PC5口C 2）多芯片扩展8031

373G27166116(2)6116(1)8155P0P2.2--P2.0PSENALEWRRDABCG2AG2BG1P1.0A0~A7A8~A10D7~D0D7~D0D7~D0CECECEOEA0~A7A8~A10WEWEOEOEWERDALEAD0~AD7CEY2Y1Y0+5VIO/MPAPBPCP2.3P2.4P2.5P2.6P2.7上图中的各扩展地址分别为： 8155：0000H、0001H、……、0005H

8031的P2.7-P2.3=00000时，选中8155，在此前提下，当8031的P0口输出地址是XXXXX000-XXXXX101，且IO/M=1时，选中8155的各端口，即：

当IO/M=0时，选中8155的RAM单元，所以： 其内部RAM地址范围是：0000H--00FFH。P2.7…P2.0P0.7…P0.0端口

0000000000000000（0000H）命令口

0000000000000001（0001H）PA口

0000000000000010（0002H）PB口

0000000000000011（0003H）PC口

0000000000000100（0004H）计数器低

0000000000000101（0005H）计数器