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第7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 7 151单片机扩展总线基础 单片机集成了CPU I O接口 存储器 定时器和中断系统等计算机的基本部件 外加电源 复位和时钟等辅助电路即构成一个能够正常工作的最小系统 然而 51单片机的片上资源终归有限 针对某些应用可能需要扩展 如增加存储器容量和输入输出端口数量 增加ADC和DAC等 PSEN RD和WR等信号构成了控制总线 为减少引脚数量 扩展总线中的数据总线和地址总线低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 7 1 1单片机扩展总线的结构和组成 从P0口中分离出地址总线低8位地址信号一般采用外接一个锁存器的方法来实现 51系列单片机的扩展总线信号包括 地址总线信号A0 A15 数据总线信号D0 D7 控制总线信号ALE EA PSEN RD和WR 1 访问外部程序存储器模式2 访问外部数据存储器或数据端口模式 读XRAM 3 访问外部数据存储器或数据端口模式 写XRAM 7 1 2扩展总线的逻辑关系和时序分析 访问外部程序存储器模式 访问外部数据存储器或数据端口模式 读XRAM 访问外部数据存储器或数据端口模式 写XRAM 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页面 不同的存储器芯片占用不同的页面 I O端口与存储器芯片一般也占用不同的页面 7 1 3总线扩展的地址译码方法 低位地址线用来选择页内单元 称为页内地址 高位地址线用于选择页面 称为选页 片 地址 地址译码时 选页地址用于产生页面选择信号 页内地址用于产生页内单元选择信号 I O端口扩展时要直接产生端口选择信号 地址译码的方法通常有三种 全地址译码部分地址译码线选译码 1 全地址译码所有的地址线都参与译码 每个存储单元或端口与一个确定的地址一一对应 所有的选页地址线参与选页地址译码 所有的页内地址线参与页内单元的译码 存储器芯片自身功能 例 若页面的大小为8KB 64KB的存储空间分成8页 则页内地址应为13位 即A0 A12 其余地址为选页地址 即A13 A15 全地址译码要求所有选页地址都参与选页译码 产生8个页面选择信号 2 部分地址译码只有部分地址参与译码 一个存储单元或端口与多个地址对应 部分地址译码法可以简化译码电路的设计 3 线选译码线选译码是部分地址译码的特殊形式 即直接用地址线来选通存储器芯片或端口 一个存储单元或端口与多个地址对应 例如 不用译码电路 仅用高位地址线就可以把64KB的存储空间划分为不同的区域 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 7 1 4扩展时应该考虑的问题 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 输出端口扩展 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 7 251单片机存储器的扩展7 2 1存储器基础知识7 2 2程序存储器的扩展7 2 3数据存储器的扩展7 2 4存储器综合扩展举例 1 半导体存储器的分类 7 2 1存储器基础知识 2 常用EPROM介绍 EPROM的电路结构主要包括 地址译码器存储矩阵和输出缓冲器 常用的EPROM芯片 EPROM芯片引脚图 2764 3 常用SRAM介绍 6264 常用的SRAM芯片 SRAM芯片引脚图 6264 3 EEPROM简介 ElectricallyErasableProgrammableROM相同容量的EEPROM和EPROM的引脚是兼容的 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 7 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 扩展存储器地址范围 doc 例7 2若单片机为8031 试采用2764扩展32KB的程序存储器 扩展存储器地址范围 doc 扩展外部数据存储器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RD P3 7 和WR P3 6 信号控制 而读片外程序存储器的信号为PSEN 7 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 采用大容量的SRAM芯片会使使用的芯片数量减少 译码电路的复杂性降低 从而提高电路的可靠性 因此方案一和方案二是比较合理的设计方案 例7 4采用一片62256扩展32KB外部数据存储器 扩展存储器地址范围 doc 扩展存储器地址范围 doc 例7 4采用两片62128扩展32KB外部数据存储器 例7 5若单片机为8031 请用1片2764扩展8KB程序存储器 用1片62256扩展32KB外部数据存储器 7 2 4存储器综合扩展 扩展存储器地址范围 扩展EPROM地址译码方式 部分地址译码 扩展RAM地址译码方式 线选译码 7 351单片机并行I O端口的扩展7 3 1简单I O端口扩展7 3 2采用专用芯片扩展I O端口7 3 3采用串行通讯方式扩展I O端口 常用的并行I O端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 简单扩展就是用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等专用接口芯片来扩展输入 输出端口 串行扩展是采用串行通讯的方式扩展并行输入 输出端口 扩展时需要注意以下几点 扩展的并行I O端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 MOVX 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 注意P0口的负载能力 1 采用锁存器扩展简单的8位输出端口 7 3 1简单I O端口扩展 访问外部数据存储器或数据端口模式 写XRAM 地址译码方式 端口地址 MOVDPTR 7FFFHMOVA dataMOVX DPTR A 2 用三态门扩展8位并行输入端口 访问外部数据存储器或数据端口模式 读XRAM MOVDPTR 0BFFFHMOVXA DPTR MOVDPTR 0BFFFHMOVXA DPTR 3 采用锁存器扩展选通输入的8位并行口 4 简单I O接口扩展应用 4 不用总线信号扩展I O端口 端口地址多少 地址译码方式 CLRP3 2MOVP1 6CHCLRP3 0SETBP3 0 向U2对应的端口输出数据6CH的程序段 常用的并行扩展芯片有8255A和8155 8255A可以外扩三个8位的并行输入 输出端口 8155可以外扩256Bytes静态RAM 一个可编程的14位减法计数器 两个8位并行I O端口和一个6位并行I O端口 7 3 2使用专用芯片扩展I O端口 1 8155的内部结构 表7 118155内部RAM和I O端口寄存器编址 2 8155的RAM和I O端口地址编码 表7 128155操作控制逻辑 3 8155的命令字 4 8155的状态字 5 8155的定时器 计数器 6 8155与51单片机的接口方法 8155扩展端口地址 例 定义A口和C口为输入口 B口为输出口 写出初始化程序 并向B端口输出数据9BH 8155命令字 02H 00000010 初始化程序MOVDPTR 4000HMOVA 02HMOVX DPTR A 向B端口输出数据9BHMOVDPTR 4002HMOVA 9BHMOVX DPTR A 1 用74LS165扩展并行输入口 7 3 3采用串行通讯方式扩展并行I O端口 P3 0 RXD 数据引脚P3 1 TXD 输出同步移位脉冲S L Shift Load 0 并行输出 1 移位 2 用74LS164扩展并行输出口 7 4单片机串行扩展总线接口技术7 4 1SPI串行总线7 4 2IIC总线 SPI是SerialPeripheralinterface的缩写 顾名思义就是串行外围设备接口 SPI是一种高速的 全双工 同步的串行总线接口 主要应用在EEPROM FLASH 实时时钟 AD转换器和D A转换器等芯片中 7 4 1SPI串行总线 SPI接口一般使用4条线 串行时