《单片机原理与应用技术》课件第9章

9.1系统扩展概述9.2数据存储器的扩展9.3程序存储器的扩展9.4程序存储器和数据存储器的综合扩展9.5并行接口的扩展思考题与习题第9章存储器和并行口的扩展9.1.1单片机最小系统

所谓单片机最小系统，就是使单片机能运行的最少器件构成的系统。

对于基本型MCS-51单片机，如89C51，因其有内部ROM，所以只要将单片机接上时钟电路和复位电路即构成了最小系统，如图9.1所示(图中未画电源)。9.1系统扩展概述图9.189C51最小系统该最小系统有4KB的程序存储器空间，所有P0～P3口都供用户使用，用户只要在这些口上加上键盘、显示器和一些其它功能器件，就可以完成相关任务。

对于无内部ROM的MCS-51单片机，如8031，除了时钟电路和复位电路外，还需要扩展外部ROM，图9.2就是一个扩展了16KBROM的最小系统。该系统扩展ROM时占用了P0、P2口，用户只能使用P1和P3口。

8031组成的最小系统中，增加了EPROM芯片、74LS373锁存器。它们是根据什么原理与CPU连接的？为什么要用74LS373锁存器呢？下面将讲述这些内容。图9.28031最小系统9.1.2总线概念

复杂的计算机系统是由众多功能部件组成的，每个功能部件分别完成系统整体功能中的一部分，所以各功能部件与CPU之间就存在着相互连接并实现信息流通的问题。如果所需连接线的数量非常多，就造成了计算机组成结构的复杂化。为了减少连接线，简化组成结构，把具有共性的线归并成一组公共连线，称为总线。例如，专门用于传输数据用的公用线称为数据总线(DB—DataBus)；专门用于传输地址的公用线称为地址总线(AB—AddressBus)；专门的选通、控制的线称为控制总线(CB—ControlBus)，它们统称为“三总线”。

MCS-51系列单片机属总线型结构，片内通过内部总线把各个功能部件、器件连成一个整体，当片外进行功能部、器件扩展时，则由P0和P2口组成外部8位数据总线和16位地址总线，P3口及相关专用选通线组成控制总线，所以它是一个典型的三总线结构，如图9.3所示。

MCS-51系列单片机所提供的数据、地址和控制总线，简化了对外部存储器及多功能部、器件的要求，而且硬件连接极为简单、方便。为了能与MCS-51系列单片机的总线配套，Intel公司和其它公司设计了许多标准的外围芯片，为应用系统的扩展提供了既方便又丰富的硬件资源。这也是MCS-51系列单片机的突出优点之一。图9.3MCS-51单片机总线信号数据存储器即随机存取存储器(RandomAccessMemory)，简称RAM，用于存放可随时修改的数据信息。对RAM可以进行读、写操作。RAM为易失性存储器，断电后所存信息立即消失。按其工作方式，RAM又分为动态RAM(DRAM—DynamicRAM)和静态RAM(SRAM—StaticRAM)。9.2数据存储器的扩展动态RAM一般容量较大，但要定时刷新才能维持所存信息，使用略复杂，单片机中使用较少。静态RAM只要电源上电，所存信息就能可靠保存，不需要刷新，扩展电路简单，单片机中使用较多。

MCS-51单片机基本型片内只有128B的RAM，增强型(如89C52)有256B的RAM。应用系统需要更多的RAM时，可以片外扩展，可扩展的最大容量为64KB。9.2.1SRAM芯片

Intel公司的SRAM芯片有6264、62128、62256等。其型号的前两位数62表示SRAM；“62”后面的数字表示其存储容量，除以8为字节容量。如6264，有64÷8=8KB容量。图9.4列出了几种SRAM芯片的引脚图。引脚的功能如下：

A0～A15：地址输入线。

D0～D7：双向三态数据线。

：片选信号输入线，低电平有效。

：读选通信号输入线，低电平有效。

(或)：写允许信号输入线，低电平有效。

VCC：工作电源，+5V。

GND：地线。图9.4SRAM引脚图(a)引脚分类；(b)引脚图SRAM通常有读、写、维持三种工作方式，见表9.1。表9.1SRAM的工作方式9.2.2典型外部数据存储器的连接

图9.5是89C51与62128的连接示意图。

显然，它们是按“三总线”的原则连接的：单片机的P0作为数据总线与数据存储器的D0～D7连接；单片机的P2.0～P2.5作为地址总线的高6位与数据存储器的A8～A13连接；单片机的P0通过地址锁存器74LS373作为地址总线的低8位与数据存储器的A0～A7连接；单片机的、作为控制总线与数据存储器的、连接；单片机的P2.7作为片选信号与数据存储器的连接。图9.589C51与62128的连接示意图9.2.3地址锁存器和外扩RAM的操作时序

从图9.5的连接图中可以看出，MCS-51单片机地址总线为P0、P2口，但P0口同时也是数据总线，如果不做处理，低8位地址总线与数据总线就会发生冲突。解决办法是，采用地址锁存器，分时共用P0口，将地址与数据隔离。地址锁存器常用的型号有74LS373、74LS573、74LS273，引脚见图9.6。74LS573内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚的排列与74LS373不同，输入的D端和输出的Q端依次排在芯片的两侧，为绘制印刷电路板时的布线提供了方便，推荐读者优先选用。图9.6地址锁存器引脚图图9.7地址锁存器结构示意图

D0～D7为8D锁存器的数据输入端，Q0～Q7为8D锁存器的数据输出端。为三态门的控制端。“三态门”的输出有三种状态：高电平、低电平、高阻悬浮状态。为低电平时，三态门导通，输出OUT的数值与Q0～Q7一致。当该信号为高电平时，输出线呈高阻态。

G为数据打入端，当G为“1”时，锁存器输出状态(Q0～Q7)同输入状态(D0～D7)，即8D锁存器的数据输出端Q跟随输入端D变化；当G由“1”变“0”，即“负跳变”时，数据打入锁存器中，这时如果外部数据使D端发生变化，Q也不随之变化。

74LS273的数据打入端为11脚“CLK”；三态门控制端1脚“CLR”的逻辑与74LS373相反。使用时应加以注意。

MCS-51单片机读、写外部数据存储器的操作时序如图9.8所示。

图9.8单片机读、写外部数据存储器的操作时序(a)片外数据存储器读时序；(b)片外数据存储器写时序读外部数据存储器的时序：如图9.8(a)所示，在第一个机器周期S1，ALE由低电平变高电平①，读周期开始。在S2状态，CPU把低8位地址送上P0，把高8位地址送上P2。ALE的下降沿②用来把低8位地址锁存在外加地址锁存器内③，而高8位地址此后一直锁存在P2口上，无需外加外锁存。在S3，P0进入高阻状态④。在S4，读控制信号变为有效⑤，它使得被寻址的数据存储器把有效的数据送上P0⑥，当回到高电平后⑦，被寻址的存储器把其本身的总线悬浮起来⑧，使P0进入高阻状态。写外部数据存储器的时序与上述类同，但写的过程是CPU主动把数据送上总线，故在时序上，CPU向P0送完被寻址存储器的低8位地址后，在S3状态就送数据上总线P0了③。其间，总线P0不再出现高阻悬浮状态。在S4状态，写控制信号有效，选通了被寻址的数据存储器。之后，P0上的数据就写到被寻址的存储器内了。9.2.4确定扩展芯片地址的方法

单片机应用系统中，为了唯一地确定某一存储单元或I/O端口，需要进行两次选择。一是先找到该存储单元或I/O端口所在的芯片，称为“片选”；二是通过对芯片本身所具有的地址线进行译码，最后确定存储单元或I/O端口，称为“字选”。唯一地确定某一存储单元或I/O端口并不意味着这些存储单元或I/O端口的地址是唯一的。如果在译码中，即“片选”和“字选”中，使用了全部地址线，这样地址与存储单元或I/O端口一一对应，只占用一个唯一的地址，称为全地址译码。如果仅使用了部分地址线，地址与存储单元或I/O端口不是一一对应，而是一个存储单元或I/O端口占用了几个地址，则称为部分地址译码。部分地址译码选择同一个存储单元或I/O端口的地址可能有几个，但物理目标却是唯一的。就像同一地点有几个地名一样，地名不同但地点是唯一的。

片选保证每次只选中某一芯片或I/O端口，常用的片选法有线选法和地址译码法。

1)线选法

线选法是直接利用系统地址总线最高几位空余线(如P2.7或P2.6、P2.5等)中的一根作为片选控制线来选择一个芯片的方法。线选法硬件开支少，方法简单，常用于应用系统扩展芯片较少的场合。

在设计地址译码电路时，如果采用地址译码关系图的话，将会带来很大的方便。所谓地址译码关系图，就是一种用简单的符号来表示全部地址译码关系的示意图表。例如，图9.5扩展的数据存储器地址译码关系如表9.2所示。表9.2图9.5扩展的数据存储器地址译码关系从地址译码关系图上可以明确几点：

(1)属完全地址译码还是部分地址译码；

(2)译码线有多少根；

(3)所占用的全部地址范围为多少。

此关系图中，地址线中有1个“·

”(P2.6未用)，表示为部分地址译码，本例中，每个单元占用了2个地址。若2根地址线不用，则一个单元占用4个地址；3根地址线不用，则占用8个地址，依此类推。该数据存储器片内译码线有14根(A0～Ａ13)，其所占用的地址范围如下：

当A14为0时，所占用地址为0000000000000000～0011111111111111，即0000H～3FFFH。当A14为1时，所占用地址为0100000000000000～0111111111111111，即4000H～7FFFH。它共占用了两组地址，这两组地址在使用中实际上是对62128中的同一个存储单元进行操作。实际应用中，可把A14接地或VCC，使它形成唯一的地址。

图9.9是用线选法扩展3片6264的电路图，其地址译码关系如表9.3所示，它采用了3根地址译码线，属完全地址译码。图9.9线选法扩展3片6264电路图表9.3图9.9的地址译码关系

2.地址译码法

地址译码法是将单片机系统中的空余地址线去控制外部地址译码器，以译码器的输出作为片选控制信号的方法。地址译码法常用于系统中扩展芯片较多而空余的地址线不够的场合。

常用的地址译码器有74LS138(3-8译码器)、74LS139(双2-4译码器)、74LS154(4-16译码器)等。下面仅介绍74LS138和74LS139。

74LS138是一种3-8译码器，有三个数据输入端，经译码产生8种状态。其引脚及真值表见图9.10。图9.1074LS138引脚及真值表

74LS139具有两个2-4译码器。这两个译码器完全独立，分别有各自的数据输入端、译码状态输出端以及数据输入允许端。其引脚及真值表见图9.11，真值表为其中任一路2-4译码器的输入/输出状态。

使用译码器后，只需要单片机少数的引脚就可以获得更多的片选信号。图9.12是用译码选通法扩展的4片62128的电路图，它采用了P2口中剩余的2根地址线，属完全译码。地址译码关系如表9.4所示。图9.1174LS139引脚及真值表图9.12译码法扩展4片62128电路图表9.4图9.12的地址译码关系9.3.1ROM芯片

程序存储器一般采用只读存储器ROM(ReadOnlyMenory)。这类存储器的特点是把信息写入后，能长期保存，不会因电源断电而丢失。单片机中ROM用来存放程序和表格数据。

根据写入和擦除方式的不同，ROM可分为掩膜ROM、可编程ROM、紫外线擦除可编程ROM、电擦除可编程ROM、FlashROM等。9.3程序存储器的扩展

MASKROM指的是掩膜ROM，用户的数据或程序由厂家做成光刻板，在芯片制造过程中由厂家写入。掩膜ROM只能写入一次，且不能再修改，因此只适合于批量生产。

PROM指的是“可编程只读存储器”，即ProgrammableRed-OnlyMemory。这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”(OneTimeProgrammingROM，OTP-ROM)。

EPROM指的是“可擦写可编程只读存储器”，即ErasableProgrammableRead-OnlyMemory。它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。这一类芯片特别容易识别，其封装中包含一个“石英玻璃窗”。

EEPROM又称E2PROM，指的是“电可擦除可编程只读存储器”，即ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory。它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。

FlashROM又称闪烁存储器，简称闪存，是一种非易失性的内存，属于E2PROM的改进产品。它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)，而E2PROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。目前FlashROM的擦除次数高达10万次。现在自带内部程序存储器的单片机大多采用FlashROM。

从学习程序存储器的扩展来讲，采用EPROM的电路比较典型。典型的EPROM芯片是27系列产品，例如，2764(8KB × 8)、27128(16KB × 8)、27256(32KB × 8)、27512(64KB × 8)。“27”后面的数字表示其位存储容量，引脚如图9.13所示。一些容量较小的EPROM如2716、2732目前已停止生产。EPROM芯片上有一个玻璃窗口是用来照射紫外线擦除用的。EPROM固化后，应使用黑色不干胶遮住这个窗口。引脚功能如下：A0～A15：地址线引脚。数目由存储容量来定。D0～D7：数据线。：片选输入端。：输出允许控制端(允许“读”信号端)。：编程时，加编程脉冲的输入端。VPP：编程用，编程电压(+ 12.5V)输入端。VCC：+ 5V，芯片的工作电压。GND：数字地。图9.13常见EPROM引脚图9.3.2程序存储器的扩展图9.14是89C51与一片27128的连接示意图。很明显，其也是按“三总线”的原则连接的：单片机的P0作为数据总线与EPROM的D0～D7连接；单片机的P2.0～P2.5作为地址总线的高6位与EPROM的A8～A13连接；单片机的P0通过地址锁存器74LS573作为地址总线的低8位与EPROM的A0～A7连接；单片机的作为“读”控制与EPROM的连接；此例中单片机只扩展了一片EPROM，所以CE始终接地。图9.1489C51与27128的连接示意图对于自带内部ROM的单片机系统，在正常运行时，应把引脚接高电平(

=1)，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超过内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器地址空间执行。如：89C51自带4KB的内部ROM，地址范围为0000H～0FFFH，则片外地址范围为1000H～FFFFH(本例中外部程序存储器的容量为16KB，所以片外地址为1000H～4FFF)。当PC值超过0FFFH时会自动转向外部1000H的地址空间。对这类单片机，若把接低电平(=0)，片外程序存储器的地址范围为0000H～FFFFH的全部64KB地址空间，而不管片内是否实际存在程序存储器。本例中，如需要读27128中1000H的数据，可用以下程序实现：

MOV DPTR，#1000H

CLR A

MOVC A，@A + DPTR

图9.14中的P2口已用作扩展程序存储器的高8位地址总线，虽然只用了6根(P2.0～P2.5)，但P2脚其余未用引脚(P2.6、P2.7)已不宜作通用I/O口线，否则会给软件设计和使用带来相当多的麻烦，这一点在系统接口设计时务必注意。目前，MCS-51单片机大都有内部自带程序存储器的机型，其容量从1KB到64KB都有。对于8031这类无内部ROM的机型已停产。如果不是由于应用系统的特殊需要，一般并不主张扩展程序存储器ROM。因此，有关扩展程序存储器的时序分析等内容，本书不再讲解，读者可以参考有关资料。图9.15所示为MCS-51单片机采用线选法扩展了1片16KB的RAM和1片16KB的EPROM接口电路。

其地址译码关系如表9.5所示。此表中P2.7可以取1或0，所以62128是不完全译码，每一个存储器单元都有两个地址，编写程序时，对两个地址所进行的操作，效果是相同的。9.4EPROM和RAM的综合扩展图9.15线选法扩展EPROM和RAM电路图表9.5图9.15的地址译码关系图中的27128片选端始终接地。在访问27128时，62128的地址、数据总线也满足了访问的要求，但27128的“读”控制线是由提供的，而62128的“读”、“写”控制信号是由、提供的，因此两个芯片的数据不会发生冲突。9.5.1总线驱动器

MCS-51系列单片机的外部扩展空间是很大的，但总线口(P0、P2)和控制信号线的负载能力是有限的。P0口可以驱动8个TTL负载，其它P1、P2、P3口能驱动4个TTL负载。当需要扩展的芯片较多，超过了单片机口的负载能力时，就需要加总线驱动器。

9.5并行接口的扩展

P0口需加双向数据总线驱动器74LS245，其引脚、逻辑图见图9.16。可以看出，74LS245实际上就是两组8位三态门电路，无锁存功能，每个引脚输出电流为15 mA，灌入电流为24mA。是使能端，低电平有效。DIR为方向控制端，有效时，DIR=1，A→B；DIR=0，A←B。与P0口的连接图见图9.17。图9.1674LS245双向数据驱动器(a)74LS245引脚；(b)74LS245逻辑图

P2口可用单向数据总线驱动器74LS244，其引脚、逻辑图见图9.18。可以看出，74LS244实际上就是两组4位三态门电路，无锁存功能，每个引脚输出电流为15mA，灌入电流为24mA。当和均为低电平时，两组三态门开通，输入A端数据直通到输出Y端；若和均为高电平时，三态门不开通，输出端Y端呈高阻状态。与P2口的连接图见图9.19。

74LS245、74LS244也可以作为并行输入/输出口的简单扩展使用。图9.1774LS245与P0口的接口图9.1874LS244双向数据驱动器(a)74LS244引脚；(b)74LS244逻辑图图9.1974LS244与P2口的接口9.5.2用74LS系列TTL电路扩展并行I/O口

用TTL电路作并行I/O口的特点是电路口线少，利用率高。选用TTL作并行I/O时，要灵活运用“输入三态，输出锁存”的原则，选择与总线相连接的TTL芯片。图9.20是一片74LS573作并行输出，另一片74LS573作并行输入的接口电路。图9.20采用74LS573电路的I/O接口考虑到输入操作时只有RD信号有效，输出操作时只有WR信号有效，故电路的输入/输出口共用一个地址7FFFH。

将一个字节写入74LS573的指令为：

MOV DPTR，#7FFFH

MOV A，#data

MOVX @DPTR，A参照9.2.3节的时序，分析以上程序可知，MOVX@DPTR，A指令的执行过程可以分为两步：

(1)准备地址。此时P2口的状态为7FH，即P2.7引脚为0，其他引脚为1；P0口的状态为FFH。

(2)送数据。此时P0线上将出现A中的内容，P0口第一步中的状态FFH被A中的内容取代，且RD=1，WR=0。这时，图9.20引脚的状态为：P0=A；P2.7=0；RD=1；WR=0。这样，或非门的输出为1，则74LS573(1)的G=1，由于OE=0，则Q=D，即Q0～Q7将全部呈现P0的状态，也就是呈现了A中的结果，达到了输出数据的目的。接受74LS573(2)上输入的8位数据读到累加器A中的指令如下：

MOV DPTR，#7FFFH

MOVX A，@DPTR

参照9.2.3节的时序可知，MOVXA,@DPTR指令的执行过程也可分为两步：

(1)准备地址。此时P2口的状态为7FH，即P2.7引脚为0，其他引脚为1；P0口的状态为FFH；但RD=0，WR=1。

(2)读数据。这时，图9.20引脚的状态为：P2.7=0；RD=0；WR=1，这样，或门的输出为0，则74LS573(2)的OE=0，由于G=1，则Q=D，P0线上将出现74LS573(2)输入端D的内容，达到了获取输入数据的目的。

利用74LS245扩展输入接口的电路也很简单，如图9.21所示。图9.21采用74LS245的输入接口如果单片机要从74LS245输入数据，可以执行如下指令：

MOV DPTR，#7FFFH MOVX A，@DPTR9.5.3并行可编程芯片8255A

所谓可编程的接口芯片，是指其功能可由微处理器的指令来加以改变的接口芯片，利用编程的方法，可以使一个接口芯片执行不同的接口功能。8255A是最常用的并行可编程芯片之一。它和MCS-51相连，可为外设提供三个8位的I/O端口：A口、B口和C口。三个端口的功能完全由编程来决定。

1. 8255A的内部结构和引脚排列

图9.22为8255A的内部结构和引脚图。图9.228255A的内部结构和引脚图

1. 8255A的内部结构和引脚排列

图9.22为8255A的内部结构和引脚图。

1)内部结构

8255A可编程接口由以下4个逻辑结构组成：

(1) A口、B口和C口。A口、B口和C口均为8位I/O数据口，但结构上略有差别。A口输入/输出都带锁存器。C口可编程为两个4位端口(高4位及低4位)。B口和C口输出带锁存器，但输入无锁存器。

这三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。

(2) A、B组控制电路。这是两组根据CPU的命令字控制8255A工作方式的电路。A组控制A口及C口的高4位，B组控制B口及C口的低4位。

(3)数据缓冲器。这是一个双向三态8位的驱动口，用于和单片机的数据总线相连，传送数据或控制信息。

(4)读/写控制逻辑。这部分电路接收MCS-51送来的读/写命令和选口地址，用于控制对8255A的读/写。

2)引脚

(1)数据线(8条)。D0～D7为数据总线，用于传送CPU和8255A之间的数据、命令和状态字。

(2)控制线和寻址线(6条)。

RESET：复位信号，输入高电平有效。一般和单片机的复位相连，复位后，8255A所有内部寄存器清0，所有口都为输入方式。

和：读、写信号线，输入，低电平有效。当为0时(必为1)，所选的8255A处于读状态，8255A送出信息到CPU。反之亦然。：片选线，输入，低电平有效。A0、A1：地址输入线。当=0，芯片被选中时，这两位的4种组合00、01、10、11分别用于选择A、B、C口和控制寄存器。

A0、A1：地址输入线。当= 0，芯片被选中时，这两位的4种组合00、01、10、11分别用于选择A、B、C口和控制寄存器。

(3) I/O口线(24条)。PA0～PA7、PB0～PB7、PC0～PC7为32条双向三态I/O总线，分别和A、B、C口相对应，用于8255A和外设之间传送数据。

(4)电源线(2条)。VCC为+ 5V，GND为地线。图9.228255A的内部结构和引脚图

2. 8255A的控制字

8255A的三个端口具体工作在什么方式下，是通过CPU对控制口写入控制字来决定的。8255A有两个控制字：方式选择控制字和C口置/复位控制字。用户通过程序把这两个控制字送到8255A的控制寄存器(A0A1=11)，这两个控制字以D7作为标志。

1)方式选择控制字

方式选择控制字的格式和定义如图9.23(a)所示。图9.238255控制字的格式和定义

例：设8255A控制字寄存器的地址为F3H，试编程使A口为方式0输出，B口为方式0输入，PC4～PC7为输出，PC0～PC3为输入。

其程序为：

MOV R0， #0F3H

MOV A， #83H ；83H按题意由图9.23获得

MOVX @R0，A

2) C口置/复位控制字

C口置/复位控制字的格式和定义如图9.23(b)所示。C口具有位操作功能，把一个置/复位控制字送入8255A的控制寄存器，就能将C口的某一位置1或清0(复位)而不影响其他位的状态。

例：仍设8255A控制字寄存器地址为F3H，下述程序可以将PC1置1，PC3清0。

MOV R0， #0F3H

MOV A， #03H

MOVX @R0， A

MOV A， #06H

MOVX @R0，A

3. 8255A的工作方式

8255A有三种工作方式：方式0、方式1和方式2。方式的选择是通过上述写控制字的方法来完成的。

(1)方式0(基本输入/输出方式)：A口、B口及C口高4位、低4位都可以设置输入或输出，不需要联络信号。单片机可以对8255A进行I/O数据的无条件传送，外设的I/O数据在8255A的各端口能得到锁存和缓冲。

(2)方式1(选通输入/输出方式)：A口和B口都可以独立地设置为方式1，在这种方式下，8255A的A口和B口通常用于传送和它们相连外设的I/O数据，C口作为A口和B口的握手联络线，以实现中断方式传送I/O数据。C口作为联络线的各位分配是在设计8255A时规定的。

(3)方式2(