《单片机原理、接口与C51应用程序设计》课件第8章

第8章MCS-51系统扩展8.1概述

8.2存储器扩展

8.3I/O口的扩展

8.1概述

MCS-51单片机片内集成了CPU、I/O口、定时器/计数器、中断系统、存储器等计算机的基本部件，但在较为复杂的系统设计中，若片内资源不够用，就需要对系统资源进行扩展。系统扩展主要包括外部扩展存储器、I/O接口和管理功能器件等。

MCS-51单片机的片外具有如图8.1所示的三总线结构。图8.1MCS-51系列单片机片外总线结构

1.地址总线

地址总线(AddressBus，AB)用于传送单片机送出的地址信号，以便访问外部存储器单元或I/O端口。地址总线是单向的，地址信号只由单片机向外发出。地址总线的数目决定了可直接访问的存储器单元的数目。

MCS-51单片机的16位地址线的高8位由P2口提供，低8位由P0口提供。P2口作为地址线时，具有输出锁存功能，输出地址能保留到下一次新地址的输出。当外扩存储器小于64KB时，只用P2口的其中一部分；当外部存储器小于256B时，根本不用P2口。P0口作为低8位地址线时，无地址锁存功能，需外加地址锁存器来锁存输出的地址信息。地址锁存的控制由单片机的地址锁存控制信号ALE提供。常用的地址锁存器有带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373、带有清除端的74LS273，其引脚图如图8.2所示。图8.274LS373、74LS273引脚图图8.374LS373、74LS273与单片机的连接

2.数据总线

数据总线(DataBus，DB)用于在单片机与存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据。单片机数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。例如，MCS-51单片机是8位字长，所以数据总线的位数也是8位。数据总线是双向的，即可以进行两个方向的数据传送。MCS-51单片机8位的数据总线由P0口提供。P0作为数据总线时，不需外加其它芯片。在进行系统扩展时，P0口时分地作为数据总线和地址总线。

3.控制总线

控制总线(ControlBus，CB)实际上就是一组控制信号线，包括单片机发出的以及从其它部件送给单片机的各种控制或联络信号。对于一条控制信号线来说，其传送方向是单向的，但是由不同方向的控制信号线组合地控制总线则表示为双向的。系统扩展时用到的控制信号主要有下列4种。图8.4MCS-51系列单片机系统扩展结构

8.2存储器扩展

8.2.1程序存储器的扩展

1.常见程序存储器芯片

常用的EPROM有2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)、27128(16K×8)、27256(32K×8)、27512(64K×8)等，其中2764的引脚如图8.5所示，对应的操作如表8.1所示。图8.52764的引脚图表8.1对2764的操作图8.6单片2764与单片机的连接图8.7通过线选法实现了两片2764扩展成16KB程序存储器。图8.7两片2764与单片机的连接

3)译码法

译码法就是利用译码器对系统的高位地址译码，以译码器的输出作为存储芯片的片选信号。常用的译码器有74LS139(双2-4译码器)和74LS138(3-8译码器)等，它们的CMOS型芯片分别是74HC139和74HC138。74LS138的引脚图如图8.8所示，其逻辑功能如表8.2所示。译码法适用于大容量多芯片存储器扩展。图8.874LS138的引脚图表8.274LS138的逻辑功能

对于74LS138输入端A2A1A0的不同组合，有唯一的输出端为低电平，可用该低电平作为存储器的片选信号。图8.9为采用译码法实现4片2764扩展成32KB的程序存储器。单片机地址总线P2.7、P2.6和P2.5通过74LS138译码器形成4个2764的片选信号，译码器的输出端Y0、Y1、Y2和Y3分别与4片2764的片选线相连。译码法的特点是每片2764的地址空间是唯一的。图8.9译码法实现4片2764与MCS-51单片机的连接图8.106264的引脚图表8.36264的操作

2. RAM的扩展

(1)低8位地址线寻址的外部数据区。此区域寻址空间为256B。CPU可以使用下列读/写指令来访问此存储区：

读存储器数据指令：MOVX

A,＠Ri。

写存储器数据指令：MOVX＠Ri,A。

由于8位寻址指令字节少，程序运行速度快，所以经常被采用。

(2) 16位地址线寻址的外部数据区。当外部RAM容量较大，要访问RAM地址空间大于256B时，需要采用如下16位寻址指令：

读存储器数据指令：MOVX

A,＠DPTR。

写存储器数据指令：MOVX＠DPTR,A。

扩展电路如图8.11所示。图8.11单片6264与单片机的连接

3.综合扩展

在单片机应用系统中，经常既要扩展程序存储器又要扩展数据存储器。采用线选法扩展2片2764和2片6264的电路连接图如图8.12所示。图中，P2.5直接接到2764(1)和6264(1)的片选，P2.6直接接到2764(2)和6264(2)的片选。每次保证P2.5和P2.6中仅有一个为低电平，ROM和RAM各选中一个。图8.12ROM和RAM的综合扩展(线选法) 8.3I/O口的扩展

8.3.1概述

1. I/O接口的作用

(1)速度协调。外设的速度快慢差异很大(高速磁盘每秒提供几十位数据，而继电器几秒钟提供不了一位数据)，所以外设只能工作于异步方式，即只有外设有数据传输时才进行I/O操作，所以要在CPU和外设之间进行速度协调。

(2)数据锁存。数据输出都要通过公用数据总线，且CPU速度很快，数据在总线上停留的时间不能满足慢速外设的数据接收要求，需要将输出的数据先放在锁存器中，所以输出接口电路应包含输出锁存器。

(3)三态缓冲。输入设备向单片机输入数据也要通过公用数据总线。为了满足高速CPU的需要，先将外设输入的数据放在输入缓冲器中，所以输入接口电路应包含三态缓冲器。

(4)数据转换。数据转换主要包括ADC、DAC、串/并转换、并/串转换和电平转换等。

从上述分析可知，对MCS-51单片机的I/O口进行扩展时，对于输出设备的接口电路要提供锁存器，对输入设备的接口电路要提供输入三态缓冲电路。

2. I/O接口的编址方式

I/O接口的编址方式有统一编址方式和独立编址方式两种。统一编址方式是指I/O接口与RAM统一编址，I/O接口共用存储器的地址空间，每个I/O端口视为一个存储单元，用访问RAM的指令访问I/O口。独立编址方式是指外部I/O接口有独立的地址空间，有专用I/O控制信号和I/O指令，I/O接口独立编址，不占用存储器的地址空间。MCS-51采用统一编址方式。MCS-51单片机有片内I/O接口和扩展I/O接口。片内I/O接口寄存器在SFR中，使用片内数据存储器空间；扩展I/O接口使用片外数据存储器地址空间。

3.单片机I/O的直接输入/输出

在简单系统中，若用有内部存储器的芯片，则无需扩展外部存储器，此时P0、P1、P2、P3都可以作为通用I/O口使用。由于P0、P1、P2、P3输入数据时均可以输入缓冲，输出时均可以锁存，并且具有一定的负载能力，所以I/O口可以直接接外部设备，如开关、发光二极管、打印机等。

4.简单I/O口的扩展

简单I/O口的扩展就是指通过数据缓冲器和锁存器来扩展I/O口，如用74LS244、74LS245等三态缓冲器扩展输入口，用74LS273、74LS373等锁存器扩展输出口。实际上只要具有输入三态、输出锁存的电路都可以用作I/O口的扩展。

图8.13是用74LS244和74LS373扩展I/O口的电路图。图8.13用74LS244和74LS373扩展I/O口

74LS244是一种8位的三态缓冲器，其引脚如图8.14(a)所示。74LS373是有8个输入端D0～D7，8个输出端Q0～Q7的锁存器，其引脚如图8.14(b)所示。图8.1474LS244缓冲器和74LS373锁存器引脚8.3.2可编程芯片8155

1. 8155的结构与引脚

8155采用40引脚，双列直插式封装，单一+5V电源供电，其引脚排列如图8.15所示，其逻辑结构如图8.16所示。图8.158155引脚图图8.168155逻辑结构图表8.48155的RAM和I/O口地址分配

3. 8155寄存器

8155内部共有6个寄存器。其中，命令寄存器(只写)和状态寄存器(只读)共用一个地址×××××000B，故称命令/状态寄存器，由读/写指令来区别；定时器寄存器的高8位和低8位各有其地址，为×××××101B和×××××100B。

1)命令寄存器

命令寄存器只能写，不能读。可以把一个命令写入×××××000B地址中改变命令寄存器的内容来实现编程,即控制I/O接口的工作方式和数据流向。命令寄存器的格式及功能如图8.17所示。图8.17命令寄存器的格式及功能

2)状态寄存器

状态寄存器只能读出，不能写入，包含7位，其中6位用于表示A口和B口的状态，1位表示定时器/计数器的状态。状态寄存器的位格式如图8.18所示。图8.18状态寄存器位格式

3) PA、PB寄存器

PA、PB寄存器的引脚分别为PA0～PA7、PB0～PB7，地址分别为×××××001B、×××××010B。PA、PB寄存器的功能是按照命令寄存器的内容对PA、PB口的工作方式进行控制。

4) PC寄存器

PC寄存器的引脚为PC0～PC5，地址为×××××011B,由命令寄存器的内容对PC口的工作方式进行控制。PC口的工作方式如表8.5所示。表8.5PC口的工作方式

5) 8155的定时器/计数器

8155片内的定时器/计数器是一个14位的减计数器。计数器分为高6位和低8位寄存器，高字节地址为×××××101B，低字节地址为×××××100B，其格式如图8.19所示。计数器的计数初值由程序预置，