第八章 51单片机系统扩展

第八章 51系统扩展第八章MCS-51系统扩展第八章 51系统扩展主要内容： MCS-51单片机系统扩展的基本原理和方法；常用器件的选择和应用；总线的使用和典型接口电路；根据实际连接进行 存储器和 IO设备的地址计算 。重点 ：常用器件的选择和应用；总线标准和典型接口电路；存储器和 IO设备的地址计算。难点： 存储器和 IO设备的地址计算，根据实际需要适当地进行系统扩展。 第八章 51系统扩展单片机内资源少，容量小，在进行较复杂过程的控制时，它自身的功能远远不能满足需要。为此，应扩展其功能。MCS-51单片机的扩展性能较强，根据需要，可扩展：ROM、 RAM；定时 / 计数器；并行 I / O口、串行口；中断系统扩展等。第八章 51系统扩展8.1 MCS-51 单片机最小系统一、 8051/8751硬件最小系统对于片内有 ROM型单片机，其自身可以构成最小系统 。具有简单的 I/O、能维持单片机的运行、并能实现一些基本功能的，由单片机和最简单的外围电路所构成的系统称为最小系统。第八章 51系统扩展该系统的资源如下：4KB ROM， 256B RAM；五源中断系统；两个十六位加一定时 / 计数器；一个全双工串行 UART；四个并行 I / O口。二、 8031硬件最小系统8031单片机片内无 ROM， 若要正常工作，必需外配 ROM。 外接 ROM后， P3口、 P2口、 P0口均被占用只剩下 P1口作 I / O口用，其它功能不变。 第八章 51系统扩展8031的的 /EA端必须接地，用以访问外部存储器。由端必须接地，用以访问外部存储器。由于只有一片于只有一片 EPROM所以所以 /OE 可以接地。可以接地。第八章 51系统扩展8.2 外部扩展资源和扩展编址技术概述8.2.1 单片机外部扩展资源分类单片机外部扩展资源包含有：外部 RAM/ROM、键盘、显示、 A/D、 D/A、 I/O扩展、中断扩展、串行通信、总线驱动、电源监控、看门狗等一些最基本的模块，它们都是大多数单片机应用系统必不可少的关键部分。 1. 外部程序存储器 ROM当单片机内部程序存储器 ROM容量无法满足应用系统要求时，需要在外部进行扩展。对于 80C51系列，内部存储器都达到 64KB，用户没有必要再扩展外部程序存储器。 第八章 51系统扩展2. 外部数据存储器 RAM 由于单片机的内部数据存储器容量较小，在需要大量数据缓冲的单片机应用系统中（如语音系统、商场收费 POS）仍然需要在外部扩展数据存储器。外部数据存储器有 SRAM、 Flash EEPROM。 3. 并行 I/O口资源扩展在较为复杂的控制系统（尤其是工业控制系统，如可编程控制器）中，经常需要扩展 I/O口。常用的 I/O接口芯片有 74HC系列锁存器 /寄存器、 8255和 8155等。 第八章 51系统扩展键盘和显示器提供了用户与单片机应用系统之间的人机界面，用户通过键盘向单片机系统输入数据或程序，而通过显示器用户可以了解单片机系统的运行状态。单片机通常都提供了一个串行通信接口，且信号为 TTL电平，为了方便单片机系统与 PC机、打印机、外设等接口，往往需要扩展通用的 RS-232通信接口。为了实现远距离通信，还要扩展 RS-485通信接口。常用的 RS-232接口芯片为MAX232，常用的 RS-485接口芯片为 MAX485。当单片机系统需要更多的串行通信接口时，可以通过串行口芯片扩展，常用的串行口芯片有 8251、 8250、 16C554等。4. 键盘和显示器5. 串行通信接口第八章 51系统扩展A/D转换接口将外设输入的模拟量转换为计算机使用的数字量，常用的 A/D转换芯片有 ADC0808/0809、ADC0816/0817、 ADC1140、 ADC71/76、 AD574A等。 D/A转换接口将计算机的数字量转换为外设使用的模拟量，常用的 D/A转换芯片有 DAC0832、 DA7520、 DAC1208、DAC1230等。7. 数模转换 D/A6. 模数转换 A/D第八章 51系统扩展在电源不稳定或有强大的干扰源时，系统经常会出现 “程序跑飞 ”等异常情况，给系统的开发和实际应用带来了极大的不便，严重时会使系统瘫痪，甚至发生工业事故。为此需要使用专用的电源监控复位芯片，人们常把此类电路称为硬件看门狗，当系统电压下降和 “程序跑飞 ”时，它能发出复位信号，保证系统正常工作。常用的电源监控复位芯片有 CSI24C161、 DS1232、X5045等。目前大多数单片机已经在内部集成了看门狗电路。8. 电源监控和硬件看门狗第八章 51系统扩展由单片机构成的大多数计费、计时系统中，日期和时间是数据库中的一个重要参数，为此需要在单片机系统中扩展日历时钟芯片。常用的日历时钟接口电路有 DS1302、 DS12887等。单片机系统是指以单片机为核心，根据其应用目标扩展相关的外围电路所构成的硬件系统，外部扩展是和应用紧密联系的。本章只是对单片机系统中存储器和并行接口扩展加以论述。 9. 硬件日历时钟第八章 51系统扩展8.2.2 单片机系统扩展结构与编址技术第八章 51系统扩展图 8.1为 AT89C52单片机通过三总线的扩展系统结构示意图。图 8.1第八章 51系统扩展第八章 51系统扩展译码器产生地址译码信号，在任一时刻其输出的有效片选信号使得单片机只能访问 RAM、 I/O 和 CLOCK其中之一，避免了总线竞争现象。地址译码有两种方法，线选法和全地址译码法。 线选法一般用于扩展少量的片外存储器和 I/O接口芯片。所谓线选法通常是将单片机的高 8位地址线 A8 A15中的某几根与外部接口芯片的片选端一一相连，当该地址线为 0时（对 0选通有效的外部芯片而言），与该地址线相连接的外部芯片被选通。这种方法的缺点是：全部地址空间是断续的，每个接口电路的地址空间又可能是重叠的。1. 线选法第八章 51系统扩展8.2 存储器的扩展 8.2.1 外部 总线的扩展一、三总线结构地址总线（ AB）： P0口提供（ A7 A0）；P2口提供（ A15 A8），共 16位。寻址空间 64KB。锁存信号由 CPU的 ALE引脚提供数据总线（ DB）： P0口提供（ D7 D0），共 8位，是单片机使用最为频繁的数据通道，单片机与外部交换的数据、指令、 I/O信息等几乎全由它传递。系统扩展是指为加强单片机某方面功能，在最小应用系统基础上，增加一些外围功能部件而进行的扩充。MCS-51系列单片机具有很强的外部扩展功能。其外部扩展都是通过三总线进行的。第八章 51系统扩展控制总线（ CB）： ALE 、 、 、 、 等。 /RD、 /WR ：用于 片外数据存储器（ RAM)的读写控制 ，当执行片外数据存储器操作指令 MOVX时，这两个信号自动产生。 /PSEN：用于 片外程序只读存储器的读控制 。 ALE：用于 锁存 P0口上的低 8位地址信号 ，当 ALE由低变高时， P0口上地址有效；当 ALE由高变低时，地址信号被锁存。 /EA：用于 选择片内或片外程序存储器 。当它为低电平时，只访问外部程序存储器，若系统采用 8031， /EA必须接地。第八章 51系统扩展第八章 51系统扩展图 5.3 MCS - 51外部三总线示意图 第八章 51系统扩展图 5.4 地址锁存器的引脚和接口 注意： P0口线地址 / 数据分时复用，需用地址锁存器74LS373锁存地址。 第八章 51系统扩展74LS373是有输出三态门的电平允许 8位锁存器 。当G（ 锁存端 ）为高电平时，锁存器的数据输出端 Q的状态与数据输入端 D相同（透明的）。当 G端从高电平返回到低电平时（ 下降沿 后）， 输入端的数据就被锁存在锁存器中 ，数据输入端 D的变化不再影响 Q端输出。 第八章 51系统扩展二、总线驱动 作为数据 /地址复用总线的 P0口可以驱动 8个 TTL门负载， P1、 P2、 P3只能可靠地驱动 4个 TTL门负载。若 扩展的三总线上挂接的负载过多时（如存储器、并行接口、 A/D接口、显示接口等），系统便不能稳定可靠地工作 ，因此常常需要通过连接总线驱动器进行总线驱动 。总线驱动器对于单片机的 I/O口只相当于增加了一个TTL负载，因此驱动器除了 对后级电路驱动 外，还能 对负载的波动变化起隔离作用 。第八章 51系统扩展常用的总线驱动器 系统总线中 地址总线和控制总线是单向的 ，因此 驱动器可以选用单向的，如 74LS244。 74LS244还带有三态控制 , 能实现总线缓冲和隔离。 .系统中的 数据总线是双向的，其驱动器也要选用双向的，如 74LS245 。 74LS245 也是三态的，有一个 方向控制端DIR， DIR=1时输出 (AnB n)， DIR=0时输入 (AnB n)。 第八章 51系统扩展图 5.5 总线驱动器芯片管脚 (a) 单向驱动器； (b) 双向驱动器 第八章 51系统扩展一 MCS-51单片机的扩展能力 根据 MCS-51单片机 总线宽度为 16位，在片外可扩展的存储器最大容量为 64 KB， 地址为 0000HFFFFH。 因为 MCS-51单片机对片外程序存储器和数据存储器的操作使用不同的指令和控制信号，所以 允许两者的地址空间重允许两者的地址空间重叠叠 ，故片外可扩展的程序存储器与数据存储器 分别为分别为 64 KB。 为了配置外围设备而需要 扩展的扩展的 I/O口与片外数据存储器口与片外数据存储器统一编址统一编址 ，即占据相同的地址空间。因此， 片外数据存储器连片外数据存储器连同同 I/O口一起总的扩展容量是口一起总的扩展容量是 64 KB。8.2.2 存储器扩展概述第八章 51系统扩展二 . 扩展存储器的选择单片机系统扩展的存储器根据用途可以分为程序存储器（一般用 ROM） 和数据存储器（一般用 RAM） 两种类型。MCS-51单片机对外部存储器的扩展应考虑的问题：1）选择合适类型的存储器芯片只读存储器（ ROM ） 常用于固化程序和常数，可分为掩膜 ROM、 可编程 PROM、 紫外线可擦除 EPROM和电可擦除E2PROM几种。若所设计的系统是小批量生产或开发产品，则建议使用 EPROM和 E2PROM； 若为成熟的大批量产品，则应采用 PROM或掩膜 ROM 。随机存取存储器（ RAM ） 常用来存取实时数据、变量和运算结果。可分为静态 RAM（ SRAM） 和动态 RAM（ DRAM） 两类。若所用的 RAM容量较小或要求较高的存取速度，则宜采用 SRAM； 若所用的 RAM容量较大或要求低功耗，则应采用DRAM， 以降低成本。目前倾向于选择 Flash存储器。第八章 51系统扩展（ 2）工作速度匹配MCS-51的访存时间（单片机对外部存储器进行读写所需要的时间）必须大于所用外部存储器的最大存取时间（存储器的最大存取时间是存储器固有的时间 ）（ 3） 选择合适的存储容量在 MCS-51应用系统所需存储容量不变的前提下，若所选存储器本身存储容量越大，则所用芯片数量就越少，所需的地址译码电路就越简单。（ 4）合理分配存储器地址空间的分配存储器的地址空间的分配必须满足存储器本身的存储容量，否则会造成存储器硬件资源的浪费。（ 5）合理选择地址译码方式可根据实际应用系统的具体情况选择线选法、全地址译码法、部分地址译码法等地址译码方式。 第八章 51系统扩展存储器除按读写特性不同区分为程序存储器和数据存储器外，每种存储器还有不同的种类。程序存储器又可分为掩膜 ROM、 可编程 ROM(PROM)、 可擦除 ROM(EPROM或EEPROM)； 数据存储器又可分为静态 RAM和动态 RAM。因此，存储器芯片有多种。即使是同一种类的存储器芯片，容量的不同，其引脚数目也不同。不论何种存储器芯片，其引脚都呈三总线结