单片机的系统扩展.ppt

第4章单片机的系统扩展 学习目标 掌握51单片机扩展总线的结构及组成掌握并行总线的逻辑与时序掌握并行总线扩展的地址译码方法掌握51单片机扩展存储器的方法掌握51单片机扩展i o接口的方法 主要内容 第4章单片机的系统扩展4 151系列单片机扩展总线基础4 1 151系列单片机的扩展总线的结构和组成4 1 251系列单片机扩展总线的逻辑关系和时序分析4 1 3总线扩展的地址译码方法4 1 4扩展总线设计接口电路时应该考虑的问题4 251存储器的扩展4 2 1存储器基础知识4 2 2程序存储器的扩展4 2 3数据存储器的扩展4 351并行i o接口的扩展4 3 1简单i o扩展4 3 2采用专用芯片扩展i o接口 4 151单片机扩展总线基础 单片机中一般集成了cpu i o口 定时器 中断系统 存储器等计算机的基本部件 外加电源 复位和时钟等简单的辅助电路即构成一个能够正常工作的最小系统 下图是一个89c52的最小系统 4 1 151系列单片机的扩展总线的结构和组成51系列单片机为了减少引脚数量 扩展总线中的数据线和地址线 低8位 采用了分时复用技术 即p0口分时传送地址总线信号的低8位 a0 a7 和数据总线信号 d0 d7 p0口在某一时刻传送的是低8位地址信号还是数据信号由ale来指明 如图4 2所示 4 1 151系列单片机的扩展总线的结构和组成在实际使用时往往需要把地址和数据信号分离开来 一般采用外接一个8位锁存器的方法来实现 图4 3为采用8位锁存器74ls373实现地址和数据分离的电路原理图 4 1 151系列单片机的扩展总线的结构和组成51系列单片机的扩展总线信号包括 16位地址总线信号a0 a15 8位数据总线信号为d0 d7 控制总线信号由ale 组成 扩展总线信号名 信号的含义及与单片机引脚信号定义的对应关系见下表 4 1 251系列单片机扩展总线的逻辑关系和时序分析1 访问外部程序存储器模式51系列单片机在访问外部程序存储器时 控制总线仅由ale 和组成 当或单片机要访问的程序存储器超出片内程序存储器的范围时 movca a dptr 是单片机访问外部程序存储器时执行的一条指令 指令执行过程中控制信号的逻辑关系和时序图如图4 4所示 4 1 251系列单片机扩展总线的逻辑关系和时序分析2 访问外部数据存储器或数据端口模式 读xram 51系列单片机在访问外部数据存储器时 其控制总线由ale 组成 4 1 251系列单片机扩展总线的逻辑关系和时序分析2 访问外部数据存储器或数据端口模式 写xram 51系列单片机在访问外部数据存储器时 其控制总线由ale 组成 当执行movx ri a指令或movx dptr a指令时 进行写外部数据ram的操作 4 1 3总线扩展的地址译码方法所谓地址空间分配是把64kb的寻址空间通过地址译码的方法分成若干个大小相同的页面 其中低位地址线用来选择页内单元 高位地址线则用于页面的选择 不同的外部设备占用不同的页面 地址译码要解决的问题就是 如何产生页面选择信号使外部设备占用一个存储空间页面 页面译码 并使外部设备内的每一个存储单元或数据端口与页内的存储单元对应起来 页内译码 地址译码的方法一般采用全地址译码 部分地址译码和线选法 4 1 3总线扩展的地址译码方法1 全地址译码所谓全译码是指所有的地址线都参与译码 所得到的地址空间是连续的 每一个数据单元与地址是一一对应的 全译码电路的结构一般比较复杂 若页面的大小为8kb 要把64kb的存储空间分成8个页面 则所有高位地址a13 a15都必须参与译码 产生8个独立的页面选择信号 形成一个连续的地址段 一般采用3 8译码器来实现 如图4 7所示 4 1 3总线扩展的地址译码方法2 部分地址译码所谓部分译码是指只有一部分地址参与译码 所得到的地址空间是非连续的地址段 没有覆盖整个可寻址空间 一个数据单元可能与几个地址对应 4 1 3总线扩展的地址译码方法3 线选法所谓线选法是部分地址译码的特殊形式 即对地址线不进行译码 直接用地址线来选通数据单元 其得到的地址空间也是非连续的 比如 不用外加译码电路 仅用高位地址线就把64kb的寻址空间区分成若干区 如图4 9所示 4 1 3总线扩展的地址译码方法经过以上分析 我们可以把地址译码电路的设计归纳总结为如下几点 1 地址译码电路是一个典型的组合逻辑电路 可以采用组合逻辑电路的设计方法来设计 2 采用页面技术 地址译码分为页面译码和页内译码 两者的基本原理一致 页面译码产生页面选择信号 页内译码产生页内数据单元的选择信号 3 全地址译码为系统内各个数据单元分配一个唯一的地址 其电路设计比较复杂 适合用于页面比较大的应用情况 4 1 3总线扩展的地址译码方法4 部分地址译码是仅对使用到的存储空间进行译码处理 对不使用的地址空间采用重叠 忽略等方法来处理 从而简化译码电路的设计 部分地址译码适合用于页面较小 且有些存储空间不用的情况 5 线选法是最简单的一种译码方式 适合于使用的页面较少的情况 特别要注意线选法往往需要软件的配合才能唯一地确定对应页面 6 当系统设计中需要用到不同的页面时 可以采用多级译码技术把整个存储空间划分为若干个大小不同的页面 4 1 4扩展总线设计接口电路时应该考虑的问题地址空间分配总线驱动能力电平的匹配控制时序和逻辑的匹配速度的协调状态信号的处理51系列单片机采用总线扩展方式可以实现 存储器扩展 输入 输出接口扩展 功能部件 如定时器 计数器 键盘 显示器等 的扩展 a d和的d a扩展 4 2 1存储器基础知识1 半导体存储器的分类 4 2 1存储器基础知识3 常用sram简要介绍 4 2 1存储器基础知识常用存储器参数比较 4 2 2程序存储器的扩展当单片机不含片内程序存储器或片内程序存储器不够使用时才需要进行程序存储器的扩展 程序存储器的扩展一般采用总线扩展 程序存储器的扩展主要考虑以下几个问题 地址线的连接数据线的连接控制信号的连接译码电路的设计 4 2 2程序存储器的扩展例7 1若单片机为8031 试采用2764扩展8kb的程序存储器 4 2 2程序存储器的扩展例7 2若单片机为8031 试采用2764扩展32kb的程序存储器 4 2 3数据存储器的扩展扩展外部数据存储器空间地址分配与扩展外部程序存储器的设计方法基本一样 但所用的控制信号不同 片外数据存储器的读 写由单片机的 p3 7 和 p3 6 信号控制 而片外程序存储器的输出允许端 则由读选通信号控制 4 2 3数据存储器的扩展例7 4若单片机为8031 试采用sram芯片把外部数据存储器扩展为32kb 分析 由于没有指定sram的具体型号 外部数据存储器扩展为32kb有多种设计方案 方案一 62256的存储容量为32kb 可以采用1片62256来设计 方案二 62128的存储容量为16kb 可以采用2片62128来设计 方案三 6264的存储容量为8kb 可以用4片6264来设计 方案四 6116的存储容量为2kb 可以用16片6116来设计方案五 可以用1片62128和2片6264来设计 方案六 可以用1片62128和8片6264来设计 一般来说 采用大容量的sram芯片来扩展外部数据存储器会使使用的芯片数量减少 译码电路的复杂性降低 因此方案一和方案二是比较合理的设计方案 4 2 3数据存储器的扩展例7 4若单片机为8031 试采用sram芯片把外部数据存储器扩展为32kb 4 2 3数据存储器的扩展例7 4若单片机为8031 试采用sram芯片把外部数据存储器扩展为32kb 4 351并行i o接口的扩展 常用的并行i o接口扩展方法主要有简单扩展 专用接口芯片扩展和串行扩展三种扩展方法 所谓简单扩展就是利用74ls377 74ls373 74ls244 74ls245等锁存器 三态门或双向缓冲器构造一个简单的输入 输出端口 专用接口芯片扩展是采用8155 8255等具有特殊功能的专用接口芯片来扩展输入 输出端口 串行扩展是利用串口控制器的功能来扩展并行输入 输出端口 4 351并行i o接口的扩展 具体扩展时需要注意以下几点 51系列单片机扩展的并行i o口和外部数据存储器统一编址 采用相同的控制信号 相同的寻址方式和相同的指令 采用movx指令 因此 扩展方法和外部数据存储器相同 系统中所有并行i o口扩展芯片均应按照 输入三态 输出锁存 的原则与总线相连 特别注意p0口的负载问题在i o口扩展时必须考虑与之相连的外设硬件电路特性 如驱动功率 电平 干扰抑制及隔离等因素 4 3 1简单i o扩展1 采用锁存器扩展简单的8位输出口 out377 movdptr 7fffhmova datamovx dptr aret e 为低电平时 为正常逻辑状态 cp clk 触发端 上升沿触发 即当cp从低到高电平时 d0 d7的数据通过芯片将数据锁存 d0 d7的数据不变 4 3 1简单i o扩展2 用三态门扩展8位输入并行口 in244 movdptr 0bfffhmovxa dptrret 4 3 1简单i o扩展3 采用锁存器扩展选通输入的8位并行口 int0373 movdptr 0bfffhmovxa dptrreti 4 3 2专用芯片扩展io接口 1 8155的引脚定义及结构 4 3 2专用芯片扩展io接口 2 8155的ram和i o口地址编码8155内部i o寄存器编址 4 3 2专用芯片扩展io接口 2 8155的ram和i o口地址编码表7 1281555操作控制逻辑关系表 4 3 2专用芯片扩展io接口 3 8155的命令字和状态字8155命令字格式 4 3 2专用芯片扩展io接口 3 8155的命令字和状态字8155状态字格式 4 3 2专用芯片扩展io接口 4 8155的定时器 计数器 4 3 2专用芯片扩展io接口 5 8155a与51单片机的接口方法 4 3 2专用芯片扩展io接口 5 8155a与51单片机的接口方法用c51编程时 对8155的操作可描述为以下几个方面 include definestate8155xbyte 0 x7f00 defineioaxbyte 0 x7f01h defineiobxbyte 0 x7f02 defineiocxbyte 0 x7f03 state8155 x 写命令字寄存器x state8155 读状态寄存器ioa x 写a口x iob 读b口xbyte 0 x3f20 35 写8155的ram单元 20h x xbyte 0 x3f65 读8155的ram单元 65h 4 3 2专用芯片扩展io接口 例7 98155控制打印机 4 3 2专用芯片扩展io接口 例7 98155控制打印机 include include defineuncharunsignedchar definestate8155xbyte 0 x7f00 定义8155各口 definepa8155xbyte 0x7f01 definepc8155xbyte 0x7f03 sbitbusy p1 0 打印机状态位 voidprintf string unchar p0 while p0 0 while busy pa8155 p0 送打印字符 pc8155 0 x00 产生stb低电平 pc8155 0 x01