单片机原理及应用PPT教学课件-第4章MCS-51单片机系统功能扩展.ppt

mcs-51单片机系统功能的扩展 系统扩展的含义 单片机中虽然已经集成了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 （即系统资源），但是对一些较复杂应用系统来说 ,有时感到以上资源中的一种或几种不够用，这就 需要在单片机芯片外加相应的芯片、电路，使得有 关功能得以扩充，我们称为系统扩展（即系统资源 的扩充）。 4.1 系统扩展概述 4.1.1 最小应用系统 (a) 8051/8751最小系统结构图；(b) 8031最小系统结构图 图4.1 mcs51单片机最小化系统 4.1.2 单片机系统扩展的内容与方法 1单片机的三总线结构 图4.2 mcs51单片机的三总线结构形式 (1)以p0口作为低8位地址/数据总线。 (2)以p2口的口线作高位地址线。 (3)控制信号线。 *使用ale信号作为低8位地址的锁存控制信号。 *以psen#信号作为扩展程序存储器的读选通信号。 *以ea#信号作为内外程序存储器的选择控制信号。 *由rd#和wr#信号作为扩展数据存储器和i/o口的 读选通、写选通信号。 尽管mcs-51有4个并行i/o口，共32条口线，但由于 系统扩展需要，真正作为数据i/o使用的，就剩下 p1口和p3口的部分口线。 2.系统扩展的内容与方法 (1)系统扩展一般有以下几方面内容： 外部程序存储器的扩展； 外部数据存储器的扩展； 输入、输出接口的扩展； 管理功能部件（如定时器/计数器、键盘/显 示器等）的扩展。 (2)系统扩展的基本方法：三总线对接。 4.2 常用扩展器件简介 4.2.1 8d锁存器74ls373 带有三态门的8d锁存器,其引脚其内部结构如下图 。 74ls373结构示意图74ls373的引脚 引脚说明如下: d7d0: 8位数据输入端。 q7q0: 8位数据输出端。 g:数据输入锁存控制端：当g为“1”时，锁存 器输出端与输入端数据相同；当g由“1”变 “0”时，数据输入锁存器中。 oe#: 输出允许端。 p0口与地址锁存器74ls373的连接 锁存器8282 功能及内部结构与74ls373完全一样，只是其引脚的 排列与74ls373不同 ，8282的引脚如下图。 4.2.2 74ls244和74ls245芯片 在单片机应用系统中, 扩展的三总线上挂接 很多负载, 如存储器、并行接口、a/d接口、显示 接口等, 但总线接口的负载能力有限, 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。 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 也带有 三态控制，有一个方向控制端dir，dir=1时数 据从左到右传送(anbn)，dir=0时数据从右 到左传送(anbn)。 图4.5 74ls244内部逻辑与引脚图 1g，2g为h时，y为高阻； 1g，2g为l 时，y=a 图4.6 74ls245内部逻辑与引脚图 0 g为h时，输出为高阻； gl，dir0；ba gl，dir1；ab 图 4.7 8051与总线驱动器的接口 (a) p2 口的驱动; (b) p0 口的驱动 4.4.2 3-8译码器 74ls138 当译码器的输入 为某一固定编码 时，其只有某一 个输出的引脚输 出为低电平，其 余输出引脚均为 高电平。 图4.8 74ls138引脚图 74ls138译码器真值表 输 入 输 出 g1 g2a* g2b* c b a y7* y6* y5* y4* y3* y2* y1* y0* 最常用的译码器芯片： 74ls138( 3-8译码器)； 74ls139(双2-4译码器)； 74ls154( 4-16译码器)等 。 4.3 存储器的扩展 4.3.1 存储器扩展概述 1mcs-51单片机的扩展能力 根据mcs-51单片机地址总线宽度(16位)，在片 外可扩展的存储器最大容量为64 kb，地址为0000h ffffh。 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 两者的地址空间重叠，故片外可扩展的程序存储器 与数据存储器分别为64 kb。 为了配置外围设备而需要扩展的i/o口 与片外数据存储器统一编址(片外数据存 储器连同i/o口一起总的扩展容量为64kb) 。 2.扩展的一般方法 1) 存储器扩展的读写控制 ram芯片：读写控制引脚，记为oe#和we#，与 mcs-51的rd*和wr*相连。 eprom芯片：只能读出，故只有读出引脚，记 为oe#，该引脚与mcs-51的psen#相连。 2) 存储器芯片的数据线 与mcs-51的数据总线(p0.0p0.7)按由低到 高的顺序顺次相连。 3) 存储器芯片的地址线 与mcs-51的地址总线(a0a15)按由低到高的 顺序顺次相连。 mcs-51发出的地址是用来选择某个存储器的某 个 单元进行读或写，要完成这种功能，必须进行 两种选择：“片选”和 “单元选择”。 存储器空间分配除考虑地址线连接外，还讨论 各存储器芯片在整个存储空间中所占据的地 址范围，以便在程序设计时正确的使用它们 。 常用的存储器地址分配的方法有两种：线性选 择法（简称线选法）和地址译码法（简称译 码法）。 1) 线选法 直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（ 或i/o接口芯片）的片选信号。 优点：电路简单，不需要地址译码器硬件，体 积小，成本低。 缺点：可寻址的器件数目受到限制，地址空间 不连续,且地址可能不唯一。 用线选法扩展8031外部数据存储器的电路 例 某一系统，需要外扩3片 8kb的ram(6264)，这 些芯片与mcs-51单片机的接口电路如下图。 地址线为a0a12，故8031剩余地址线为三根。用线选 法可扩展3片6264。3片6264对应的存储器空间如下表: a15 a14 a13 a12 a8 a7 a0 p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.0 p0.7 p0.0 ic1: 1 1 0 0 0 c000h 1 1 dfffh ic2: 1 0 1 0 0 a000h 1 1 bfffh 线选法特点：简单明了，不需另外增加硬件电路。 只适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统。 2) 译码法 译码法就是利用译码器对mcs-51剩余的高位地址进 行译码, 译码器的译码输出作为存储器芯片的片选 信号。 全译码：剩余的全部高位地址线都参加译码 (存储 器地址空间是唯一确定的)。 部分译码：剩余的高位地址线仅部分高位地址线参 加译码 (存在着部分存储器地址空间重叠) 。 3扩展存储器所需芯片数目的确定 若所选存储器芯片字长与单片机字长一致，则只需扩展 容量。所需芯片数目按下式确定： 若所选存储器芯片字长与单片机字长不一致，则不仅 需扩展容量，还需字扩展。所需芯片数目按下式确定： 4.3.2 程序存储器的扩展 采用只读存储器，非易失性。 （1）掩膜rom：在制造过程中编程。成本较高，因 此只适合于大批量生产。 （2）可编程rom（prom）：用独立的编程器写入。 但prom只能写入一次，且不能再修改。 （3）eprom：电信号编程，紫外线擦除的只读存储 器芯片。 （4）e2prom：电信号编程，电信号擦除的rom芯片 。读写操作与ram几乎没有什么差别，只是写入的 速度慢一些。但断电后能够保存信息。 （5）flash rom：又称闪烁存储器，简称闪存。 1eprom芯片 典型芯片是27系列产品，例如， 2732(4kb8)、2764(8kb8)、 27128(16kb8)、27256(32kb8)、 27512(64kb8)。 “27”后面的数字表示其位存储容量。 图4.10 常用eprom芯片的引脚图 引脚功能如下： a0a15：地址线引脚。数目决定存储容量来定 ， 用来进行单元选择。 d7d0(o7o0)：数据线引脚 ce#：片选输入端 oe#：输出允许控制端 pgm#：编程时，加编程脉冲的输入端 vpp：编程时，编程电压（+12v或+25v）输入端 vcc：+5v，芯片的工作电压 gnd：地 2程序存储器扩展举例 1) 不用片外译码器的单片程序存储器的扩展 例1 试用eprom 2764构成8031的最小系统。 2764是8k8位程序存储器，芯片的地址引脚线 有13条，顺次和单片机的地址线a0a12相接。由于 不采用地址译码器，所以高3位地址线a13、a14、a15 不接，故有23=8个重叠的8 kb地址空间。因只用一片 2764，其片选信号ce可直接接地(常有效)。其连接电 路如图 4.11所示。 图4.11 2764与8031的扩展连接图 图4.11所示连接电路的8个重叠的地址范围为 p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.0 p0.7 p0.0 00000000000000000001111111111111，即0000h1fffh； 00100000000000000011111111111111，即2000h3fffh； 01000000000000000101111111111111，即4000h5fffh； 01100000000000000111111111111111，即6000h7fffh； 10000000000000001001111111111111，即8000h9fffh； 10100000000000001011111111111111，即a000hbfffh； 11000000000000001101111111111111，即c000hdfffh； 11100000000000001111111111111111，即e000hffffh。 2) 采用线选法的多片程序存储器的扩展 例2 使用两片2764扩展16 kb的程序存储器， 采用线选法选中芯片。扩展连接图如图4.12所示。 以p2.7作为片选，当p2.7=0时，选中2764(1)；当 p2.7=1时，选中2764(2)。因两根线(a13、a14)未 用，故两个芯片各有22=4个重叠的地址空间。它 们分别为 图4.12 用两片2764 eprom的扩展连接图 p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.0 p0.7 p0.0 左片：000000000000000000001111111111111，即0000h1fffh； 001000000000000000011111111111111，即2000h3fffh； 010000000000000000101111111111111，即4000h5fffh； 011000000000000000111111111111111，即6000h7fffh； 右片：100000000000000001001111111111111，即8000h9fffh； 101000000000000001011111111111111，即a000hbfffh； 110000000000000001101111111111111，即c000hdfffh； 111000000000000001111111111111111，即e000hffffh。 3) 采用地址译码器的多片程序存储器的扩展 例3 要求用2764芯片扩展8031的片外程序存储器，分配的 地址范围为0000h3fffh。 本例要求的地址空间是唯一确定的，所以要采用全译码方 法。由分配的地址范围知：扩展的容量为16kb，2764为8k8 位，故需要两片。第1片的地址范围应为0000h1fffh；第2 片的地址范围应为2000h3fffh。 由地址范围确定译码器的连接。为此画出译码关系图如下 ： 图4.13 全译码、两片2764 eprom的扩展连接图 典型型号有:6116、6264、62128、62256。+5v电 源供电，双列直插封装，6116为24引脚封装， 6264、62128、62256为28引脚封装。 各引脚功能如下: a0a14：地址输入线。 d0d7：双向三态数据线。 4.3.3 数据存储器的扩展 1数据存储器芯片 ce1#：片选信号输入。对于6264芯片，当26脚 (ce2)为高电平时,且ce1#为低电平时才选中 该片。 oe#：读允许信号输入线。 we#：写允许信号输入线，低电平有效 vcc：工作电源+5v gnd：地 图4.14 常用静态ram芯片的引脚图 图4.15 iram芯片的引脚图 2数据存储器的扩展举例 例4 采用2114芯片在8031片外扩展1 kb数据存储器。 图4.16 用两片2114 eprom的扩展连接图 用译码选通法扩展8031的外部数据存储器,如下图 所示。图中数据存储器选用62128，该芯片地址线 a0-a13，这样8031剩余地址线为两根，若采用2-4 译码器可扩展4片62128。 62128芯片地址分配表 2-4译码器输入 p2.7 p2.6 2-4译码器 有效输出 选中 芯片 地址范围存储 容量 0 0y0#ic10000h3fffh16k 0 1y1#ic24000h7fffh16k 1 0y2#ic38000hbfffh16k 1 1y3#ic4c000hffffh16k 4.3.4 兼有片外程序存储器和片外数据存储器 的扩展举例 例5 采用2764和6264芯片在8031片外分别扩展24 kb程 序存储器和数据存储器。 扩展连接电路如图4.17所示。从图中可以看出， 各有一片2764和一片6264的片选端并接在一根译码输 出线上。即有2764和6264芯片相同的地址单元将会同 时选通，这不会发生地址冲突，因为两种芯片的控制 信号是不一样的。 图4.17 兼有片外rom，又有片外ram的扩展连接图 3-8译码器输入 p2.7 p2.6 p2.5 3-8译码器 有效输出 选中 芯片 地址范围存储 容量 0 0 0y0#ic10000h1fffh8k 0 0 1y1#ic22000h3fffh8k 0 1 0y2#ic34000h5fffh8k 4.4 i/o 扩 展 4.4.1 i/o口扩展概述 mcs-51的i/o口是mcs-51与外设交换数字信息 的桥梁。 真正用作i/o口线的只有p1口的8位i/o线和p3 口的某些位线。 在多数应用系统中，mcs-51单片机都需要外 扩i/o接口电路。 i/o接口（interface）和i/o端口(port)的区别： i/o端口：简称i/o口，常指i/o接口电路中带有端 口地址的寄存器或缓冲器，单片机通过端口地址 就可以对端口中的信息进行读写。 i/o接口：是指单片机与外设间的i/o接口芯片。 一个i/o接口芯片可以有多个i/o端口， （1）数据口（2）命令口（3）状态口 1mcs-51单片机i/o口扩展性能 (1) 在mcs-51单片机应用系统中，扩展的i/o口 采取与片外数据存储器相同的寻址方法。所有扩 展的i/o接口或通过扩展i/o接口连接的外围设备 均与片外数据存储器统一编址。每一接口芯片中 的所有功能寄存器(端口)的地址都相当于一个片 外ram单元。而与外部程序存储器无关。 i/o端口编址两种方式：独立编址与统一编址。 1独立编址方式 i/o端口寄存器地址空间和存储器地址空间分开编 址，但需一套专门的读写i/o的指令和控制信号。 2统一编址方式 i/o端口寄存器与数据存储器单元同等对待，统一 编址。不需要专门的i/o指令，直接使用访问数据存 储器的指令进行i/o操作，简单、方便且功能强。 (2) 利用mcs-51单片机的串行口工作在方式0(同 步移位寄存器工作方式)，也可扩展i/o口，这时 所扩展的i/o口不占用片外ram地址。 常用的i/o接口芯片有： （1）8255：可编程的通用并行i/o口扩展接口芯片 (3个8位并行i/o口)。 （2）8155h：可编程的io/ram扩展接口芯片(2个8 8位i/o口,1个6位i/o口，256字节ram单元，1个14 位的减法定时器/计数器)。 此外，74ls系列的ttl电路也可以用作mcs-51的 i/o口扩展，如74ls244、 74ls373、 74ls273和 74ls377等。 8255 可编程并行i/o接口芯片 8255 具有 3 个 8 位并行i/o口, 即 pa 口、 pb口和pc口。 其中pc口又分为高 4 位 和低 4 位。 通过控制字设定可以选择三种工 作方式: 基本输入/输出方式; 选通输 入/输出方式; pa口为双向i/o总线。 4.4 .3 8155可编程并行i/o口芯片 1.8155的结构与引脚 ram 8155的逻辑结构图 8155芯片引脚图 （1）ad7ad0（8条） 地址/数据总线，常与单 片机的p0口相接，用于分 时传送地址/数据信息。 （2）i/o总线（22条） （3）控制总线（8条） reset：复位输入线 ce#：片选信号线 io/m#：ram/io口选择线 rd# 和wr# ale：地址锁存允许 timerin和timerout （4）电源线（2条） vcc：+5v电源 vss：地 28155的ram和i/o口编址 8155在单片机应用系统中是按外部数据存储器 统一编址的，地址为16位，其高8位地址由片选线 ce#提供，低8位地址为片内地址。当io/m#=0时， 对8155的ram进行读/写，ram低8位地址为 00h ffh；当io/m#=1时，对8155的i/o口进行读/写。 i/o口及定时器/计数器由ad0ad2进行寻址。其 编址如表4.5所示。 ce#io/m#ad7ad6 ad5 ad4 ad3 ad2ad1ad0所选的端口 01000命令/状态寄存器 01001pa口 01010pb口 01011pc口 01100定时器/计数器低 8位 01101定时器/计数器高 8位 00ram单元 28155的ram和i/o口编址 表4.5 8155各端口和ram地址分配 38155的工作方式与基本操作 8155的a口、b口可工作于基本i/o方式或选通方 式，c口可作为输入/输出口，也可以作为a口、b口 选通方式工作时的状态控制信号线。工作方式选择 是通过对8155内部命令寄存器设定控制字来实现的 。三个口可