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计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 程序存储器扩展 数据存储器扩展 输入/输出口扩展 本章内容本章内容 date 1 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 学习目的学习目的 学会利用现有的芯片扩展存储器 学会利用现有的芯片扩展输入/输出口 date 2 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 问题的提出 在单片机应用 系统的设计中 ,往往出现 ram, rom或者 i/o口不够的 情况，怎么办 ？ rom的扩展 ram的扩展 并行i/o口的扩展 date 3 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3.13.1 系统扩展概述系统扩展概述 对于复杂的场合，mcs-51系列单片 机硬件资源不够使用时则需要进行系统扩 展包括存储器扩展和输入/输出扩展。进 行系统扩展时三总线结构如下图所示： date 4 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 地 址 锁 存 器 8 8 8 a15a8 a7a0 d7d0 地址总线 数据总线 控制总线 date 5 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 (1) 系统的扩展一般有以下几方面的内容： 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。 管理功能器件的扩展(如定时器/计数器、键盘/ 显示器、中断优先级编码器等)。 一、 系统扩展的内容与方法 date 6 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 (2) 系统扩展的基本方法： p0口具有分时传送低8位地址和8位数据信息的复 用功能。 通过ale信号与地址锁存器配合使用，从而使得 地址信息和数据信息区分开。 一般来讲，所有与计算机扩展连接芯片的外部 引脚线都可以归属为三总线结构。扩展 连接的一般方法实际上是三总线对接。 要保证单片机和扩展芯片协调一致地工 作，即要共同满足其工作时序。 date 7 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 二二. . 驱动芯片驱动芯片 扩展芯片都通过三总线与单片机连结 ，而单片机三总线驱动能力有限，须增加 驱动器。 常用总线驱动器如下图所示： date 8 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 单向驱动器74ls244 单向驱动器74ls244(dip20) double in-line package 1、含有两组8个三态驱动器， 2、由g1 、g2控制(低电平 有效)，方向ay 。 date 9 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 双向驱动器74ls245 dir=0 g0 dir1 方向为ab（输出） g0 dir0 方向为b a（输入） 双向驱动器 74ls245(dip20) 1、含有16个三态驱动器。 2、每个方向8个，由g端控制。 3、dir控制驱动方向。 date 10 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 单向驱动器74ls244作地址总线驱动器 双向驱动器74ls245作数据总线驱动器 使用： date 11 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3.2 3.2 程序存储器扩展程序存储器扩展 一一. .程序存储器的扩展方法及时序程序存储器的扩展方法及时序 mcs51系列单片机扩展外部程序 存储器的硬件电路如下图所示 date 12 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 mcs-51系列单片机访问外部程序存储器时， 使用的控制线为ale（低8位地址锁存控制）和 psen（外部程序存储器“读取”控制）。时序图 如下图所示。 date 13 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 送地址 取出指令 date 14 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 当ale上升为高电平后,p2口输出高8位地址信 息a8a15，p0口输出低8位地址信息a0a7，利用 在ale的下降沿将p0口输出的低8位地址信息锁存 到地址锁存器,接着p0口由输出方式变为输入方式 。紧接着psen变为低电平，使及程序存储器oe端 变为低电平有效，程序存储器输出存放在由16位 地址信息所确定的存储单元内的指令代码信息至 p0口上，供cpu读取. date 15 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 从图上可看出在访问外部程序存储器一个机 器周期内，ale上出现两个正脉中，psen出现两个 负脉冲，说明一个机器周期内cpu可以两次访问外 部程序存储器。正因为此，mcs-51系列单片机的 指令系统含有许多的双字节单周期指令，这使得 cpu执行程序的速度大大提高。 date 16 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 二.地址锁存器 最小系统常用到74ls373作锁存器 。74ls273、74hc573、intel8282芯片 也可用作地址锁存器，但74ls373使用 最多，74ls573制作印刷板方便，它们 都是dip20封装 ls：low power schottky date 17 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 1、引脚图如下图所示： date 18 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2、8d锁存器74ls373 74ls373结构示意图 date 19 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 74ls373用作地址锁存器 date 20 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3、具体使用连接图如下图所示： date 21 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 1.eprom芯片介绍 紫外线擦除电可编程eprom可作为外部存储器 ，如2764（8k8位）、27128（16k8位）、 27256（32k8位）和27512（64k8位）等， 可通过编程器将应用软件对应的机器代码固化 到芯片中，编程电压一般为12.5v、21v、25v 等。它们引脚图如下图所示。 三三. eprom. eprom芯片接口芯片接口 date 22 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 23 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 24 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 以上四种型号eprom芯片都为28脚双列直插 封装（dip28），单一的+5v工作电源。各引脚的 功能如下： a0a15为16根地址线；o0o7为数据输出线； ce为片选信号；oe为数据输出允许信号；pgm 为编程脉冲输入端；vpp为编程电源；vcc为主电 源；gnd为主电源地。 但它们的应用参数不同，如下表所示，使用时 应注意这些参数。 date 25 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 不同型号eprom芯片应用参数 型 号工作电流 (ma) 维持电流 (ma) 读取时间 (ns) 27647535250 2712810040250 2725610040250 2751212540250 date 26 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2. 具体应用 （1）使用单片eprom扩展外部程序存储器 在8031单片机上扩展4kb eprom？ 思考:4kbeprom芯片地址范围是多少?需要多注根地址线? date 27 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 在8031单片机上扩展4kb eprom . . . d7 q7 373 d0 q0 g 控制线 a11 a8 a7 a0 2732 o7 o0 oe ce p2.3 p2.0 p0.7 8031 p0.0 ale psen 12根地址线 8根数据线 date 28 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 一片27128eprom和地址锁存器74ls373 构成mcs-51系列单片机中8031外部程存 储器的硬件应如何连接? 练一练 : 提示:27128eprom芯片地址范围为00003fffh （16kb）。 date 29 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 30 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 在上图中，将27128中的26脚去掉（不连）则变 为单片2764扩展电路；将27128中的27脚连至8031中 p2.6，则变为单片27256扩展电路；将27128中27脚连 至8031中p2.6，同时将27128中1脚连至8031中p2.7， 则变为单片27512扩展电路。根据不同容量的 eprom芯片，很容易写出各自的地址范围。 注意 date 31 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 （2）使用多片eprom扩展外部程序存储器 单片存储器芯片的容量是有限的， 整个mcs51系列单片机应用系统存储 器是由若干芯片组成，应考虑到： 每片存储器芯片的地址分配 存储器芯片的选择（片选） date 32 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 单片机对存储器操作时，先进行片选， 再从选中的芯片中根据地址译码器选择存储 单元进行数据的存取。存储器空间的划分和 地址编码是靠地址线来实现的。对于多片存 储器芯片构成的存储器，其地址编码原则是 ： 低位片内选址 高位选择存储器芯片（片选） date 33 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 一般情况下，单片机能提供的地址总线 根数大于存储器芯片地址线根数。如对于多 片2764与8031相连的存储器，地址线a0a12 作为2764的片内选址，而a13a15作为选择不 同的2764。 片选信号产生的方法有： 线选法和译码法。译码法包含全译码和 局部译码法。 date 34 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 单片机用于“选片”的高位地址线（即 存储器芯片未用完的地址线）若一根连接一 片存储器芯片的片选端，这样每一条高位地 址线可选中两片存储器芯片，这种方法称之 为线选法，其特点是译码电路简单、有地址 重叠区。 利用两片2764扩展16kb程序存储器（线选 法）如下图所示： a a、线选法线选法 date 35 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 36 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 a15a14a13a12 a11a10a9a8 a7a6a5a4 a3a2a1a0 1#2764 始地址 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000h 末地址 0 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 1fffh 2#2764 始地址 1 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 2000h 末地址 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 3fffh date 37 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 注意 . 可取0或取1，有地址重叠，这里取0； . p2.5作为线选法中片选信号线，也可使用 p2.6或p2.7作为片选信号线。 date 38 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 单片机用于“选片”的高位地址线（即 存储器芯片未用完的地址线）全部用译码器 或门电路进行译码，再把译码器输出的信号 和存储器芯片的片选信号端相连 ，称为全 译码法,其特点是译码电路复杂，每片存储 器芯片地址是唯一确定的，不存在地址重叠 利用两片2764扩展16kb程序存储器（全译码法） 如下图所示： b b、全译码法全译码法 date 39 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 40 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 a15a14a13a12 a11a10a9a8 a7a6a5a4 a3a2a1a0 1#2764 始地址 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000h 末地址 0 0 0 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 1fffh 2#2764 始地址 0 0 1 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 2000h 末地址 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 3fffh date 41 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 单片机用于“选片”的高位地址线（即 存储器芯片未用完的地址线）某几根用译码 器或门电路进行译码，再把译码器输出的信 号和存储器芯片的片选信号端相连 ，称为局 部译码法 ,其特点是译码电路较为复杂，每 片存储器芯片地址区间不唯一，有地址重叠 。 关于部分译码法例题见后一节内容。 c c、局部译码法（部分译码法）局部译码法（部分译码法） date 42 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 四四. .并行并行e e 2 2 promprom芯片接口芯片接口 电擦除可编程只读存储器e2prom是近年 来开始被广泛应用的一种只读存储器。其主 要特点是能在计算机应用系统中进行在线修 改，并能在断电情况下，保存修改结果而不 需加保护电源，已广泛应用于智能仪表、控 制系统、开发系统中。常见的e2prom芯片有 2817a和2864a，它们引脚图如下图所见。 1. e2prom芯片介绍 date 43 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 44 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 intel2864a是8kb电擦除可编程只读 存储器，28引脚采用双列直插式封装，单 一+5v工作电源，最大工作电流为160ma ，最大维持电流60ma，典型读出时间 250ns，其中28引脚功能为： a0a12：地址总线；i/o0i/o7：数据 总线；ce：片选线；oe：输出使能； we ：写控制线；nc：无用。 date 45 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2. 具体应应用 一片2864e2prom和地址锁存器 74ls373构成mcs51系列单片机中8031 外部程存储器的硬件连接结图如下图所 示(线选法)。设无关地址线取0，则 2864e2prom芯片地址范围为 00001fffh（8kb）。 使用单片e2prom扩展外部程序存储器 date 46 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 47 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 6.3 外部数据存储器的扩展 一一. .外部数据存储器的扩展方法及时序外部数据存储器的扩展方法及时序 mcs51系列单片机扩展外部数据 存储器的硬件电路如下图所示 date 48 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 对数据存储器操作时，只使用wr、rd控制 线psen而不用。程序数据存储器地址与程序存 储器地址可以重叠，都为0000hffffh。但在 应用系统中i/o端口及外围设备与数据存储器是 统一编址。时序图如下图所示。 date 49 date 50 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 当mcs51系列单片机对外部数据存储器进行 读或写操作时，p2口输出外部ram高8位地址信息 。p0口分时传送外部ram低8位地址信息和8位的 数据信息，当ale控制信号由低变高后，p0口送 出低8位地址信息然后利用ale控制信号由高变低 的下降沿将低8位地址信息锁存至外部地址锁存器 ，最后p0口变为输入或输出，配合wr或rd控制 线的有效状态，cpu完成对选通的外部ram进行 写或读操作。 date 51 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 二.静态ram芯片接口 常用着mcs-51系列单片机外部数据存储器 扩展的静态ram芯片有6116（2k8位）6264（ 8 k8位）、62128（16k8位）62256（ 32k8位）、62512（64k8位）等。小容量 的静态ram芯片已经停产，仅介绍6264、62128 、62256、62512， 。它们引脚图如下图所示 。 1. 1. 静静态态态态ramram芯片介芯片介绍绍绍绍 date 52 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 53 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 54 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 以上静态ram芯片都为28脚或32脚双列直插 封装，采用cmos工艺制造，单一的+5v工作电源 。各引脚的功能如下： a0a15为16根地址线；i/o0i/o7为数据输出线 ；ce为片选信号；we为写允许线；oe为数据输 出允许信号；vcc为主电源；gnd为主电源地。 但它们的应用参数不同，如下表所示，使用时应 注意这些参数。 date 55 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2. 具体应应用 一片62128静态ram扩展8031应用 系统16k数据存储器硬件连结图如下图所 示。若无关的地址线取1,则62128对应的 地址范围为4000h7fffh。若无关地址 线取0，则62128的地址范围为 0000h3fffh,地址不唯一。 （1）使用单片静态ram扩展外部数据存储器(线选法) date 56 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 （2）多片静态ram扩展外部数据存储器（局部译码法） 两片6264静态ram与8031接口硬件图如下 图所示： date 57 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 58 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 a15a14a13a12 a11a10a9a8 a7a6a5a4 a3a2a1a0 1#6264 始地址 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000h 末地址 0 0 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 1fffh 2#6264 始地址 0 1 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 2000h 末地址 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 3fffh date 59 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 注意 1. 可取0或取1，这里取0，a15未参加译码； 2. 随着单片ram容量增多，多片ram扩展很少 使用 date 60 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 三. i2c总线e2prom接口 1. i2c 总线的信号线 当总线空闲时，这两条信号线都保持高电平，不会消耗电流。 电气兼容性好。上拉电阻接5v 电源就能与5v 逻辑器件接口， 上拉电阻接3v 电源又能与3v 逻辑器件接口。 因为是开漏结构，所以不同器件的sda 与sda 之间、scl 与 scl 之间可以直接相连，不需要额外的转换电路。 date 61 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2. i2c 总线上数据的有效性（data validity） 数据线sda 的电平状态必须在时钟线scl 处于高电平 期间保持稳定不变。sda 的电平状态只有在scl 处于 低电平期间才允许改变。但是在i2c 总线的起始和结束 时例外。 date 62 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3. 起始条件和停止条件 起始条件 当scl 处于高电平期间时，sda 从高电平向低电 平跳变时产生起始条件。总线在起始条件产生后便处于忙的 状态。起始条件常常简记为s。 停止条件 当scl 处于高电平期间时，sda 从低电平向高电 平跳变时产生停止条件。总线在停止条件产生后处于空闲状 态。停止条件简记为p。 date 63 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 4. 从机地址（slave address） i2c 总线不需要额外的地址译码器和片选信号。多 个具有i2c 总线接口的器件都可以连接到同一条i2c 总线上，它们之间通过器件地址来区分。主机是主 控器件，它不需要器件地址，其它器件都属于从机 ，要有器件地址。必须保证同一条i2c 总线上所有从 机的地址都是唯一确定的，不能有重复，否则i2c 总 线将不能正常工作。一般从机地址由7 位地址位和一 位读写标志r/w 组成，7 位地址占据高7 位，读写 位在最后。读写位是0，表示主机将要向从机写入数 据；读写位是1，则表示主机将要从从机读取数据。 date 64 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 5. 数据按字节传输 i2c 总线总是以字节（byte）为单位收发数据。每次传 输的字节数量没有严格限制。首先传输的是数据的最高位 （msb，第7 位），最后传输的是最低位（lsb，第0 位 ）。另外，每个字节之后还要跟一个响应位，称为应答。 date 65 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 6. 应答（acknowledge） 在i2c 总线传输数据过程中，每传输一个字节，都要跟一 个应答状态位。接收器接收数据的情况可以通过应答位来告 知发送器。应答位的时钟脉冲仍由主机产生，而应答位的数 据状态则遵循“谁接收谁产生”的原则，即总是由接收器产生 应答位。主机向从机发送数据时，应答位由从机产生；主机 从从机接收数据时，应答位由主机产生。i2c 总线标准规定： 应答位为0 表示接收器应答（ack），常常简记为a；为1 则 表示非应答（nack），常常简记为a。发送器发送完lsb 之后，应当释放sda 线（拉高sda，输出晶体管截止），以 等待接收器产生应答位。 如果接收器在接收完最后一个字节的数据，或者不能再接 收更多的数据时，应当产生非应答来通知发送器。发送器如 果发现接收器产生了非应答状态，则应当终止发送。 date 66 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 7. 基本的数据传输格式 主机发送 主机接收 s：起始位 sa：从机地址，7 位从机 地址 w：写标志位，1 位写标志 r：读标志位，1 位读标志 a：应答位，1 位应答 a-：非应答位，1 位非应答 d：数据，每个数据都必须是 8 位 p：停止位 阴影：主机产生的信号 无阴影：从机产生的信号 date 67 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 8. 传输一个字节数据的时序图 主机向从机发送1 个字节数据的时序图 主机从从机接收1 个字节数据的时序图 date 68 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 9. 重复起始条件 主机与从机进行通信时，有时需要切换数据的收发方向。 例如，访问某一具有i2c 总线接口的e2prom 存储器时，主 机先向存储器输入存储单元的地址信息（发送数据），然后 再读取其中的存储内容（接收数据）。 在切换数据的传输方向时，可以不必先产生停止条件再开 始下次传输，而是直接再一次产生开始条件。i2c 总线在已 经处于忙的状态下，再一次直接产生起始条件的情况被称为 重复起始条件。重复起始条件常常简记为sr。 带有重复起始条件的多字节数据传输格式示意图 date 69 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 10. 子地址 带有i2c 总线的器件除了有从机地址（slave address ）外，还可能有子地址。从机地址是指该器件在i2c 总线上 被主机寻址的地址，而子地址是指该器件内部不同部件或 存储单元的编址。例如，带i2c 总线接口的e2prom 就是 拥有子地址器件的典型代表。 某些器件（只占少数）内部结构比较简单，可能没有子 地址，只有必须的从机地址。 与从机地址一样，子地址实际上也是像普通数据那样进 行传输的，传输格式仍然是与数据相统一的，区分传输的 到底是地址还是数据要靠收发双方具体的逻辑约定。子地 址的长度必须由整数个字节组成，可能是单字节（8 位子地 址），也可能是双字节（16 位子地址），还可能是3 字节 以上，这要看具体器件的规定。 date 70 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 cat24wcxx 是一个1-256k位的支持i2c总线数据传送 协议的串行cmos e2prom，可用电擦除，可编程自定时 写周期（包括自动擦除时间不超过10ms，典型时间为5ms ）。 串行e2prom一般具有两种写入方式，一种是字节写入 方式，还有另一种页写入方式。允许在一个写周期内同时 对1个字节到一页的若干字节的编程写入，1页的大小取决 于芯片内页寄存器的大小。其中，cat24wc01具有8字节 数据的页面写能力，cat24wc02/04/08/16具有16字节数 据的页面写能力，cat24wc32/64具有32字节数据的页面 写能力，cat24wc128/256具有64字节数据的页面写能力 。 11. i2c总线 cmos e2prom cat24wcxx date 71 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 cat24wcxx系列串行e2prom特性一览表 date 72 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 date 73 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 串行e2prom芯片的寻址 (1) 从器件地址位 主器件通过发送一个起始信号启动发送过程，然后发送它 所要寻址的从器件的地址。8位从器件地址的高4位d7d4固 定为1010,接下来的3位d3d1（a2、a1、a0）为器件的片 选地址位或作为存储器页地址选择位，用来定义哪个器件以 及器件的哪个部分被主器件访问，这些位必须与硬连线输入 脚a2、a1、a0相对应。1个cat24wc16/128可单独被系统 寻址。从器件8位地址的最低位d0，作为读写控制位。“1”表 示对从器件进行读操作，“0”表示对从器件进行写操作。在主 器件发送起始信号和从器件地址字节后，cat24wcxx监视 总线并当其地址与发送的从地址相符时响应一个应答信号（ 通过sda线）。cat24wcxx再根据读写控制位（r/w）的 状态进行读或写操作。 date 74 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 从器件地址 a0、a1和a2对应器件的管脚1、2和3，a8、a9和a10对 应为存储阵列页地址选择位 date 75 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 at24c02 及其外围扩展电路 date 76 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 (2) 应答信号 i2c总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器都必须 产生一个应答信号。应答的器件在第9个时钟周期时将sda线拉低，表 示其已收到一个8位数据。cat24wcxx在接收到起始信号和从器件地 址之后响应一个应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收一个 8位字节之后响应一个应答信号。当cat24wcxx工作于读模式时，在 发送一个8位数据后释放sda线并监视一个应答信号，一旦接 收到应答 信号，cat24wcxx继续发送数据，如主器件没有发送应答信号，器件 停止传送数据并等待一个停止信号。主器件必须发一个停止信号给 cat24wcxx使其进入备用电源模式并使器件处于已知的状态。 date 77 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 (3) 数据地址分配 cat24wc01/02/04/08/16的a8a15位无效，只有a0 a7是有效位。对于cat24wc01/02正好合适，但对于 cat24wc04/08/16来说，则需要a8、a9、a10页面地址选 择位进行相应的配合。 date 78 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 (4) 写操作方式 1) 字节写 在字节写模式下，主器件发送起始命令和从器件地址信息 (r/w位置0)给从器件，主器件在收到从器件产生应答信号后， 主器件发送1个8位字节地址写入cat24wc01/02/04/08/16的 地址指针，对于cat24wc32/64/128/256来说，所不同的是主 器件发送两个8位地址字写入cat24wc32/64/128/256的地址 指针。主器件在收到从器件的另一个应答信号后，再发送数据 到被寻址的存储单元。cat24wcxx再次应答，并在主器件产 生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中， cat24wcxx不再应答主器件的任何请求。 cat24wc01/02/04/08/16字节写时序 date 79 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 cat24wc32/64/128/256字节写时序 字节写范例(适用于cat24wc01/02/04/08/16)： mov sla,#cat24wcxx mov suba,#10h ;指定地址是10h mov numbyte,#01h ;指定页写入字节数为1 mov mtd,#0fh ;将数据写入mtd缓冲区 lcall iwrnbyte ;将数据写入cat24wcxx指定地址 ret date 80 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2)页写 在页写模式下，cat24wc01/02/04/08/16/32/64/128/256 可一次写入8 /16/16/16/16/32/32/64/64个字节数据。页写操作的启动和字 节写一样，不同的是在于传送了一字节数据后并不产生停止信号。主器件 被允许发送p（cat24wc01：p=7；cat24wc02/04/08/16： p=15； cat24wc32/64：p=31；cat24wc128/256：p=63）个额外的字节。每 发送一个字节数据后cat24wcxx产生一个应答位, 且内部低 3/3/4/4/4/5/5/5/6位地址加1，高位保持不变。如果在发送停止信号之前主 器件发送超过p+1个字节，地址计数器将自动翻转，先前写入的数据被覆 盖。接收到p+1字节数据和主器件发送的停止信号后，cat24wcxx启动 内部写周期将数据写到数据区。所有接收的数据在一个写周期内写入 cat24wcxx。 cat24wc01/02/04/08/16页写时序 date 81 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 cat24wc32/64/128/256页写时序 页写时应该注意器件的页“翻转”现象，如 cat24wc01的页写字节数为8，从0页首址00h处开始 写入数据，当页写入数据超过8个时，会页“翻转”；若从 03h处开始写入数据，当页写入数据超过5个时，会页“ 翻转”,其它情况依此类推。 date 82 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 页写范例(适用于cat24wc01/02/04/08/16)： mov mtd,#87h ; 先把写入的数据依次装入mtd缓冲区 mov mtd+1,#0f1h ;装载数据 mov mtd+2,#0f2h mov mtd+3,#0f3h mov mtd+4,#0f4h mov mtd+5,#0f5h mov mtd+6,#0f3h mov mtd+7,#0f4h mov sla,#cat24wcxx mov suba,#10h ;指定写入数据的首地址 mov numbyte,#08h lcall iwrnbyte ;把mtd缓冲区的数据以页写方式写入 cat24wcxx ret date 83 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3)应答查询 可以利用内部写周期时禁止数据输入这一特性。一 旦主器件发送停止位指示主器件操作结束时， cat24wcxx启动内部写周期，应答查询立即启动， 包括发送一个起始信号和进行写操作的从器件地址。 如果cat24wcxx正在进行内部写操作，不会发送应 答信号。如果cat24wcxx已经完成了内部自写周期 ，将发送一个应答信号，主器件可以继续进行下一次 读写操作。 date 84 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 4) 写保护 写保护操作特性可使用户避免由于不当操作而造成对 存储区域内部数据的改写，当wp管脚接高时，整个寄存 器区全部被保护起来而变为只可读取。cat24wcxx可 以接收从器件地址和字节地址，但是装置在接收到第一 个数据字节后不发送应答信号从而避免寄存器区域被编 程改写。 date 85 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 (5)读操作方式 对cat24wcxx读操作的初始化方式和写操作时一样， 仅把r/w位置为1，有三种不同的读操作方式： 读当前地址内容、读随机地址内容、读顺序地址内容。 1)立即地址读取 cat24wcxx的地址计数器内容为最后操作字节的地址加1 。也就是说，如果上次读/写的操作地址为n，则立即读的地址 从地址n+1开始。如果n=e（cat24wc01，e=127； cat24wc02，e=255；cat24wc04，e=511； cat24wc08，e=1023；cat24wc16，e=2047； cat24wc32，e=4095；cat24wc64，e=8191； cat24wc128，e=16383；cat24wc256，e=32767）， 则计数器将翻转到0且继续输出数据。cat24wcxx接收到从 器件地址信号后（r/w位置1 ），它首先发送一个应答信号， 然后发送一个8位字节数据。主器件不需发送一个应答信号， 但要产生一个停止信号。 date 86 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 立即地址读取范例： mov sla,#cat24wcxx lcall irdbyte ;读出现行地址上的数据，数据返回值在 acc ret 立即地址读时序 date 87 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2) 随机地址读取 随机读操作允许主器件对寄存器的任意字 节进行读操作 ，主器件首先通过发送起始信号、从器件地址和它想读取 的字节数据的地址执行一个伪写操作。在cat24wcxx应 答之后，主器件重新发送起始信号和从器件地址，此时 r/w位置1， cat24wcxx响应并发送应答信号，然后输 出所要求的一个8位字节数据，主器件不发送应答信号但产 生一个停止信号。 cat24wc01/02/04/08/16随机地址读时序 date 88 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 cat24wc32/64/128/256随机地址读时序 随机地址读取范例： mov sla,#cat24wcxx mov suba,#2fh ;指定地址是2fh mov numbyte,#01h ;指定读取字节数1 lcall irdnbyte ;指定地址读1个字节数据,返回数据存 在mrd缓冲区ret date 89 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3) 顺序地址读取 顺序读操作可通过立即读或选择性读操作启动。在 cat24wcxx发送完一个8位字节数据后，主器件产生一个应答 信号来响应，告知cat24wcxx主器件要求更多的数据，对应 每个主机产生的应答信号cat24wcxx将发送一个8位数据字节 。当主器件不发送应答信号而发送停止位时结束此操作。 从cat24wcxx输出的数据按顺序由n到n+1输出。读操作时 地址计数器在cat24wcxx整个地址内增加，这样整个寄存器 区域在可在一个读操作内全部读出。当读取的字节超过 e(cat24wc01，e=127；cat24wc02，e=255； cat24wc04，e=511；cat24wc08，e=1023； cat24wc16，e=2047；cat24wc32，e=4095； cat24wc64，e=8191；cat24wc128，e=16383； cat24wc256，e=32767)计数器将翻转到零并继续输出数据 字节。 date 90 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 顺序地址读时序 顺序读范例：顺序地址读出是连续读出多个字节，当字地址 的低位部分增量到溢出后会出现地址的“翻转”现象。 mov sla,#cat24wcxx mov suba,#10h ;指定地址是10h mov numbyte,#05h ;读取字节数为5 lcall irdnbyte ;进行连续读，返回数据依次存在mrd 缓冲区中 ret date 91 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 spi总线e2prom: 93c06/46/56/66（64-512x8） i2c铁电存储器: fm24c04/16 (512-2kx8) 双口ram: idt7132 (并行2kx8) 并行flash存储器: at29c256/512/010/020/040 （ 32k-512kx8） i2c总线虚拟技术 超越64k的扩展 换体/分页 3v/5v转换: 上拉电阻/电平转换ic date 92 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 三三. .兼有兼有epromeprom和和ramram存储器的接口存储器的接口 在mcs51系列单片机应用系统中，一个 比较复杂的应用系统，当然有可能既要扩展外 部的程序存储器（采用片内不含程序存储器的 机型，如8031、8032等），又要扩展外部数据 存储器。用一片27128和一片62128实现8031外 部程序存储器16k和外部数据存储器16k的扩展 接口电路如图下图所示，片选信号产生的方法 采用线选法。 date 93 date 94 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 a15a14a13a12 a11a10a9a8 a7a6a5a4 a3a2a1a0 27128 始地址 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000h 末地址 0 0 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 3fffh 62128 始地址 1 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 4000h 末地址 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 7fffh date 95 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 四四. .数据存储器的掉电保护数据存储器的掉电保护 数据存储器ram一旦电源去掉，内部所 有的信息都被破坏。某些单片机应用系统要求 在掉电时不丢失ram内的内容，必须加掉电保 护功能。可采用两种方法，一种是加装不间断 电源ups，另一种只在全部或部分数据存储单 元加备用电源（通常采用电池），要求具备有 掉电保护功能的单片机应用系统一般采用 chmos单片机和cmos结构的ram。 date 96 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 1. 1.简单的掉电保护电路简单的掉电保护电路 date 97 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 2.2.实用的掉电保护电路实用的掉电保护电路 简单掉电保护电路，在电源掉电和重新上电频率 较高时，由于电源切换，可能使ram瞬间处于读/写 状态，使原来存放在ram中的内容遭到破坏，可能 起不到可靠掉电保护作用。 有一些cmosram芯片有专门用于掉电保护的 引脚，如6264、62512芯片上的ce2引脚。正常工作 时，须将ce2=1，当ce2引脚拉至小于或等于0.2v时 ，ram进入保护状态。利用该引脚实现掉电保护。 电路如下图所示，这种电路可靠、实用。 date 98 date 99 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 电源掉电时，vcc开始下降，当降至满足下列条件时 r4*vcc/(r4+r3)/(r5+r6)3.5v （即vcc下降至4.7v时），u2输出低电平，又因u3输出低电平， 使得u4输出高电平，从而u5输出为高电平，u6输出（即ce2） 为低电平（0.2v），ram进入数保据持状态，当vcc继续下降， 降至小于电池电压时，d2截止，d1导通，此时由电池给ram供 电。 重新上电时，vcc由0v跃变至+5v，u2的输出会出现瞬间干扰脉 冲，由于u3与u4之间采用了积分电路，具有延时功能，ce2并 不立即升为高电平。因而抑制了u 2的干扰脉冲，当积分延时结 束，电源已稳定在+5v。ce2为高电平回到正常工作状态。 date 10 0 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 6.4 并行输入输出口的扩展 概述： 1. 为什么需要i/o接口电路 cpu与外部设备速度的匹配 外部设备数据信号的多样性 外部设备种类繁多 外部设备数据传输距离有长有短 2. i/o接口电路具备的主要功能 速度协调 三态缓冲 数据转换 date 10 1 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 3. 数据隔离技术 三态缓冲电路 集电极开路门电路 4. i/o编址技术 独立编址 统一编址 5. i/o数据传输的控制方式 无条件传送方式 程序查询方式 程序中断方式 dma方式 date 10 2 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 mcs51系列单片机，若输入/输出端口不 够使用，则须扩展。 当单片机扩展i/o接口较多时，便于单片机 管理，象对存储单元一样，对多个i/o接口进行 统一编号，这种对i/o接口的编号称之为i/o端 口编址。 date 10 3 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 a.采用了专用i/o指令，使及编写程序时 易于区分，程序可读性强。 b.专用i/o指令执行时间短。 c.输入输出时容易安排应答信号，硬件设 计简单。 优点优点 a.专用i/o指令有限，编程不方便。 b. cpu中必须采用专用的i/o周期。 缺点缺点 i/oi/o端口地址和存储器独立编址方式端口地址和存储器独立编址方式 date 10 4 计算机控制及接口技术 mcs-51系列单片机系统扩展 i/oi/o端口地址和存储器统一编址方式端口地址和存储器统一编址方式 这种编址方式适用于不带io/m引脚的 cpu系统中，把所有的i/o接