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第六章MCS 51单片机的系统扩展 主要内容1 MCS 51单片机系统扩展的基本概念2 程序存储器扩展技术3 数据存储器扩展4 输入 输出口扩展技术 重点 系统扩展的方法地址译码与分析方法 第六章1 2 第一节单片机系统扩展的一般方法 一 系统扩展基本内容与意义 8051 8751最小应用系统由于集成度的限制 这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元 其应用特点是 1 全部I O口线均可供用户使用 2 内部程序存储器容量不大 只有4KB地址空间 3 应用系统开发具有特殊性 系统扩展的内容 1 外部程序存储器的扩展 2 外部数据存储器的扩展 3 I O接口的扩展 4 其他专用功能部件的扩展 MCS 51单片机内部虽然集成了储存器 I O口 定时器 计数器等硬件资源 但它们的容量比较小 资源有限 为了满足各种复杂的应用系统的要求 常常需要单片机外部扩展存储器和各种功能的器件 二 系统扩展三总线的形成 3 对I O接口的读写操作如同外部RAM的读写操作 用MOVX指令实现 外部程序存储器读操作P0口的分时输出地址信息和输入指令信息控制由ALE和PSEN实现 为了将P0口的地址和数据分离 用ALE的下跳沿将P0口输出的地址信号低8位锁存在地址锁存器中 地址锁存器一般选用74LS373 74LS573 8282等芯片 外部数据存储器读 写操作对外部数据存储器的读操作控制由ALE和RD实现 执行指令 MOVXA DPTR对外部数据存储器的写操作控制由ALE和WR实现 执行指令 MOVX DPTR A 8031是片内无程序存储器的单片机芯片 因此 8031的最小应用系统应在片外扩展EPROM 第二节程序存储器的扩展 当程序量超过单片机的片内程序存储器时 将采用片外扩展程序存储器 通常采用EPROM E2PROM Flash存储器等芯片 一 程序存储器扩展的基本方法1 地址线的连接 P0口 P0 0 P0 7 经锁存器接存储器低8位地址线 A0 A7 P2口 P2 0 P2 7 与存储器高8位地址线 A8 A15 相连接 3 控制线的连接 PSEN接存储器的允许输出信号 OEALE接地址锁存器锁存信号G 4 片选信号的连接与地址译码当芯片的三组总线连接完后 将地址总线剩下的高位地址线作为片选信号 一般片选信号的产生有三种方法即 线选法 部分译码法 全译码法等 2 数据线的连接P0口与存储器的8位数据线 D0 D7 相连接 1 典型EPROM扩展电路Intel的通用EPROM不同型号芯片由于其管脚有一定的兼容性 它们在单片机系统扩展中常常被采用 EPROM扩展的典型产品有 2716 2KB 2732 4KB 2764 8KB 27128 16KB 27256 32KB 27512 64KB 它们的主要差别只是地址线的增减 二 程序存储器扩展实例分析 EPROM管脚功能 1 A0 A15地址线 2764 A0 A12 27128 A0 A13 27256 A0 A14 2 CE芯片使能信号3 OE VPP输出使能信号 编程电压4 PGM编程脉冲输入端5 O0 O7数据线 例1 用一片27128扩展的16K字节单片机程序存储器 扩展一片程序存储器时 片选信号CS可直接接地 也可接A14或A15 既采用线选法 一旦片选确定则存储单元的地址信号就确定了 线选法时存储器的地址不是唯一的 27128的A0 A13 接地址总线A0 A13OE 接PSENO0 O7 接D0 D7 地址锁存器的G ALEOC 直接接地 由于EPROM没有加密功能 不利于应用软件的保密 为了用户的应用程序不被他人拷贝 可采用带有片内程序存储器的单片机芯片 采用线选法时 存储器的地址不是唯一的 存在地址重叠现象 2 E2PROM扩展电路 扩展2864电路如图 2864是8K字节的E2PROM 说明 图中的2864既是程序存储器又是数据存储器 这时程序和数据存储器要统一编址 在MCS 51单片机中没有独立的I O指令 将外部数据存储器与I O接口统一编址 在设计扩展电路时首先考虑各个芯片的地址编址问题 即存储器和I O接口芯片的地址线及片选与单片机地址总线的连接问题 第三节数据存储器的扩展 一 数据存储器和I O接口扩展的基本方法在单片机系统中常用的数据存储器是静态随机存储器 SRAM 其典型的芯片有6264 8K 8位 62256 32K 8位 RAM管脚 6264 1 A0 A15地址线 6264 A0 A12 62256 A0 A14 2 CE1 CE2芯片使能信号3 OE输出允许4 WE写允许5 IO0 IO7数据线 A0 A13 接地址总线A0 A13CE1 CE2 CE1接片选信号 CE2接电源OE 接RDWE 接WRIO0 IO7 接D0 D7 RAM与单片机的连线 片选信号的产生有三种方法 线选法 直接利用地址总线的高位地址线作为存储器芯片的片选信号 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限制 地址空间不连续 译码法 使用译码器对高位地址进行译码 译码器的输出作为存储器芯片的的片选信号 有全译码和部分译码 是一种最常用的方法 能有效的利用存储空间 适用于大容量多芯片的存储器扩展 常用译码器芯片有74LS138 3 8 74LS139 2 4 74LS154 4 16 例1 6264静态RAM扩展电路 二 数据存储器扩展举例 例2如图为采用74LS139译码扩展两片2764 8K EPROM和两片6264 8K RAM芯片的电路 分析它们的地址范围 2764 1 0000H 1FFFH2764 2 2000H 3FFFH6264 1 4000H 5FFFH6264 2 6000H 7FFFH 1 TTL并行输入 输出接口根据 输入三态 输出锁存 与总线相连的原则 可采用TTL电路或CMOS电路的锁存器 三态缓冲器扩展简单的I O接口 如采用8位三态缓冲器74LS244组成输入口 采用8D锁存器74LS273 74LS373等组成输出口 第四节一般I 0口的扩展 一 简单I 0扩展 当CLR为高电平 CLK的上升沿使D锁存 当EN为低电平 A信号传送到Y EN为高电平 Y为高阻态 简单I 0扩展举例 例中74LS244和74LS273地址都为7FFFH P2 7 0 要求当某开关合上时相对应的LED点亮 开关断时相应的LED暗 其控制程序如下 M1 MOVDPTR 7FFFHMOVXA DPTRMOVX DPTR ASJMPM1 2 TTL串行输入 输出接口用串行口的方式0 外接串行输入 并行输出的移位寄存器扩展并行输出口 或者外接并行输入 串行输出的移位寄存器 扩展并行输入口 常用的芯片74LS164 74LS165 4014 4094等 二 可编程I 0口的扩展 可编程I 0口可以通过程序设置引脚不同的工作方式 CPU不需要其他的硬件 一片芯片可扩展较多的I 0接口 使用灵活方便 通用性强 Intel公司的可编程I O接口芯片种类齐全 为MCS 51单片机扩展I O接口提供了很大的方便 常用Intel系列可编程接口芯片 8255A是一个典型的可编程通用并行接口芯片 它具有三个8位的并行口 有三种工作方式 可作为单片机与各种外设连接的接口电路 1 结构 1 三个并行I O口A B C各有8根线 分成AB两组2 数据总线缓冲器 用于与CPU接口3 读写控制逻辑 选择端口和数据的流向 一 8255可编程并行i o接口扩展 2 引脚 I O线24根A B C口 数据线8根D7 D0 与CPU接口 控制线6根RESET 复位 RD WR 读 写 A1 A0 端口选择 CS 片选 电源线2根Vcc GND3 端口寻址与控制信号功能 4 8255A与MCS 51单片机的连接由8255A的管脚功能得到数据脚 控制脚与微处理器连接 而PA PB PC口与外部设备信号连接 地址分析 分析 8255A的4个地址分别为 无关位取1 PA口7CFFH PB口7DFFH PC口7EFFH 控制字寄存器地址为7FFFH 5 8255A的工作方式 8255A有3种基本的工作方式 方式0 方式1 方式2 其中PA口可以工作在3种方式 PB口可工作在方式0和方式1 PC口只能工作在方式0 1 工作方式0方式0为基本输入 输出方式 这种方式下 PA PB口各8位均定义为输入或输出 PC口的低4位及高4位可独立定义为输入或输出 定义为输出口均有锁存数据的能力 而定义为输入口无锁存能力 方式0适合于无条件传送方式 CPU直接执行输入输出指令 在这种方式下 PA口 PB口作为数据的输入或输出口 均带有锁存 PC口自动作为PA口与PB口的选通控制线 在方式1下 A口和B口的输入输出数据要在选通信号控制下来完成 PA口借用PC口的一些信号线用作控制和状态线 形成A组 PB口也借用PC口的一些信号线用作控制和状态线 组成B组 2 工作方式1 选通的输入输出方式 方式1输出的控制和状态信号 方式1输入的控制和状态信号 STB 选通输入信号线 输入 外部设备提供IBF 输入缓冲器满信号线 输出 INTR 中断请求输出信号 PC口的功能定义见表6 8 P0 7 P0 0INT08031EA D7 D0PA7 PA08255A PC4 PC5 PC3 INTEA D0 D7输入设备 1 其中 INTE为中断允许触发器 如图为A口方式1输入的工作示意图 IBFA 3 工作方式2 双向传输方式 工作方式2是A组独有的工作方式 外设既能在PA口的8条引线上发送数据 又能接收数据 此方式也是借用PC口的PC3 PC7这5条信号线作控制和状态线 PA口的输入和输出均带有锁存 6 8255的控制字及状态字 8255有两种控制字 方式选择控制字和端口PC置位复位控制字 这两个控制字都写入8255的控制端口 由最高位特征位区别 方式选择控制字 8255A的PC口位操作控制字 MOVDPTR 6003H 控制字寄存器地址MOVA 9BH 方式控制字MOVX DPTR A 写入8255A如果全部输出 则方式控制字为10000000B 80H 8255A上电复位后所有口为输出 1 状态 初始化编程举例1 7 8255A的应用 设某片8255A的端口地址是6000H 6003H 工作于方式0 端口A和端口C高4位输出 端口B和端口C低4位输入 设置该8255A的方式选择控制字 解 方式选择控制字 10000011 要求从8255的C口PC3输出一个正脉冲1 分析 PC3输出低电平00000110BPC3输出高电平00000111B2 编程MOVDPTR 4003HMOVA 06MOVX DPTR AMOVA 07MOVX DPTR AMOVA 06HMOVX DPTR A 初始化编程举例2 分析 8255A的4个地址分别为 无关位取1 PA口7FFCH PB口7FFDH PC口7FFEH 控制字寄存器地址为7FFFH 2 应用举例 例6 6 应用子程序如下 EX8255 MOVDPTR 7FFFH 指向控制口MOVA 89H 8255A初始化MOVX DPTR AMOVDPTR 7FFEH 指向C口MOVXA DPTR 取开关信号MOVR3 0 开关号单元清0MOVR2 8 8个键 解 首先确定方式控制字 PA口应该工作在方式0且输出 PB口没有用任意 PC口输入 则方式控制字是10001001B 例6 6 如图所示电路 由PA口输出点亮七段数码管 PC口接8个开关用作输入信号 当某开关合上时显示相应的开关号 即K1合显示 1 K2合显示 2 依此类推 试编程实现 EX82 1 RRCA 移出一位信号JCEX82 2 判断开关断转跳INCR3 键号 1MOVA R3 显示值转换显示码MOVDPTR DIRTAB 七段数码管显示段码表首地址MOVCA A DPTR 查表MOVDPTR 7CFFH 送PA