51单片机的扩展

第四章MCS-51单片机的系统扩展,本章主要介绍51系列单片机系统扩展问题，在本章中要研究较多的硬件方面及硬软结合方面的问题，本章与第一章关系密切，在学习本章内容之前，要先明确51系列单片机本身的系统资源，可先复习一下第一章的有关单片机硬件组成方面的内容。,本章将介绍以下具体内容：系统扩展的含义、单片机的地址总线和数据总线、常见系统扩展电路举例,一、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、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）。需要解决的问题是单片机与相应芯片的接口电路连接（即地址总线、数据总线、控制总线的连接）与编程。,二、单片机的地址总线和数据总线51系列单片机没有专用的对外地址总线和数据总线，其P0口和P2口既是通用I/O口，同时P0口还是分时复用的双向数据总线和低8位地址总线（一般需要加一级锁存器），而P2口则是高8位地址总线。,三、常见系统扩展电路系统扩展-单一功能的系统扩展、综合功能的扩展。1.单一功能的系统扩展（1）存储器的扩展（程序存储器、数据存储器、E2PROM）,（a）程序存储器的扩展.程序存储器的作用-存放程序代码或常数表格.扩展时所用芯片-一般用只读型存储器芯片（可以是EPROM、E2PROM、FLASH芯片等）。.扩展电路连接-用EPROM2732扩展程序存储器。.存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。,2732-4KEPROM,2732引脚功能,A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GND,VccA8A9A11OE/VppA10CEO7O6O5O4O3,2732,.扩展时所用芯片,.扩展电路连接,80312732数据总线的连接：P0.0-P0.7（数据总线）-O0-O7地址总线的连接：P0.0-P0.7（地址总线低8位）-A0-A7P2.0-P2.3（地址总线高8位中的4位）-A8-A11控制总线的连接：PSEN（程序存储器允许，即读指令）-OEALE（地址锁存允许）-接373的使能端G,经过锁存器373,1,2,3,图4.1从外存取指令时序图,.存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，可以,指向存储器中的某一单元。,8031P2.3P2.0P0.7P0.0(2732A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0)选中单元000000000000（0000H）0000000000001（0001H）1000000000010（0002H）2000000000011（0003H）3000000000100（0004H）4.111111111111（0FFFH）4K-1可见，当单片机输出地址0000H0FFFH时，选中2732的04K-1号单元，即按照上面电路扩展的4K存储器的地址范围是0000H0FFFH（共4K字节）。,请思考：请同学们结合图4.1来分析图4.2中373的作用，并说明没有它行不行？为什么？,.扩展时所用芯片,.程序存储器的作用,.扩展电路连接,.存储器地址分析,程序存储器的扩展,（b）数据存储器的扩展.数据存储器的作用-存放数据，可改写.扩展时所用芯片-一般用静态读写型存储器芯片SRAM，也可以用E2PROM、FLASH芯片等.扩展电路连接-用SRAM6116扩展程序存储器。.存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。,6116-2KSRAM,6116引脚功能,A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND,VccA8A9WEOEA10CED7D6D5D4D3,6116,.扩展时所用芯片,.扩展电路连接,图4.5扩展电路,80316116数据总线的连接：P0.0P0.7（数据总线）-D0D7地址总线的连接：P0.0P0.7（地址总线低8位）-A0A7P2.0P2.2（地址总线高8位中的3位）-A8A10控制总线的连接：RD（读外部数据）-OEWR（写外部数据）-WEALE（地址锁存允许）-接373的使能端G,经过锁存器373,一个机器周期,ALE,PSEN,P2,P0,地址A8A15,A0A7,三态,数据D0D7入,图4.4读外部数据RAM时序图,RD,一个机器周期,ALE,PSEN,P2,P0,地址A8A15,A0A7,数据D0D7出,图4.4写外部数据RAM时序图,WR,一个机器周期,ALE,PSEN,P2,P0,地址A8A15,A0A7,三态,数据D0D7入,RD,图4.4读外部数据RAM时序图,.存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，可以,指向存储器中的某一单元。,8031P2.7P2.2P2.1P2.0P0.7P0.0选中单元(6116CEA10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0)0XXXX00000000000（0000H）00XXXX00000000001（0001H）10XXXX00000000010（0002H）20XXXX00000000011（0003H）30XXXX00000000100（0004H）4.0XXXX11111111111（07FFH）2K-1可见，当单片机输出地址0000H07FFH时，选中6116的02K-1号单元，即按照上面电路扩展的4K存储器的地址范围是0000H07FFH（共2K字节）。,请注意，与扩展程序存储器相比较，有以下不同点：.存储器芯片为可读可写的静态RAM芯片，有读写控制引脚OE和WE。.单片机输出的对数据存储器的读写控制信号分别是RD（而不再是读程序存储器时的PSEN）和WR。,.扩展时所用芯片,.程序存储器的作用,.扩展电路连接,.存储器地址分析,数据存储器的扩展,（c）E2PROM的扩展,2864-8KE2PROM,2864引脚功能,N.CA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND,VccWEN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D3,2864,.扩展时所用芯片,单片机8031,P2.4,P2.0,A8,A12,ALE,RD,74LS373,G,2864,A7A6A5A4A3A2A1A0,D0D1D2D3D4D5D6D7,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7,OE,CE,Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7,D0D1D2D3D4D5D6D7,WE,WR,P2.7,PSEN,读外部RAM，即输入MOVXA，Ri;读外部RAM，即输入MOVXDPTR，A;写外部RAM，即输出MOVXRi，A;写外部RAM，即输出,二、接口技术要解决的问题,图4.4读外部数据RAM时序图即执行,MOVXA，DPTRMOVXA，Ri,指令执行时序,2.接口时序-就是执行上述MOVX类指令的时序（分读/写两种情况，见教材p96图5.1，也就是第四章中的p72图4.3和4.4）,图4.4写外部数据RAM时序图即执行,MOVXDPTR，AMOVXRi，A,指令执行时序,3.I/O数据交换方式-一般有无条件传送方式延时等待方式查询方式中断方式等。,以A/D转换为例说明,延时等待方式,单片机由P1口某口线P1.x发出启动转换信号给A/D后，延时一段时间（假设经过这段时间A/D转换结束），然后单片机从P0口读入转换好的数据。,延时等待方式-,查询方式-,由单片机的P1口某口线P1.x发出启动转换信号给A/D，然后单片机由P1口某口线P1.y不断输入转换结束信号EOC并进行检测，发现EOC有效时，说明转换结束，单片机即可从P0口读入转换好的数据。,中断方式-,由单片机的P1口某口线P1.x发出启动转换信号给A/D后，就可以做别的工作了，当转换结束EOC有效时，向单片机发出中断请求，单片机即可在中断处理程序中从P0口读入转换好的数据。,4.端口地址的分配-单片机的I/O端口和外RAM统一编址，也即外RAM单元和I/O端口加起来最多不能超过64K个，确定I/O端口地址的方法有两种：,请思考：以上各种数据交换方式各有什么利弊。,线选法-单片机的单根地址线直接接到外部电路芯片（设备）的片选端（P98图5.3）,图5.3线选法译码地址,线选法译码地址,译码法-用译码器将单片机的（高位）地址线进行译码，译码输出信号作为外部电路芯片（设备）的片选信号（P99图5.4）。,控制引脚,输入引脚,输出引脚,G1G2AG2B,CBA,Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0,100,000,11111110,100,001,11111101,100,010,11111011,100,011,11110111,100,100,11101111,100,101,11011111,100,110,10111111,100,111,01111111,138功能表,译码法译码地址,请思考：以上两种确定I/O端口的方法各有什么利弊？什么是全译码？部分译码？什么是地址重叠？什么时候会发生地址重叠？,线选法：接线简单，地址重叠较多，地址空间没有得到充分利用，当单片机外围芯片较少时采用。,译码法：需要硬件（译码器），电路稍复杂，但地址空间可以得到充分利用，地址重叠少。,全译码：所有（高位）地址线全部参与译码，没有地址重叠问题。,部分译码：部分（高位）地址线全部参与译码，有部分地址重叠。,什么时候会发生地址重叠当存在未用到的地址线时发生。因为这些地址线可设为“1”，也可设为“0”。,三几种常用接口电路举例,D/A电路一般是作成集成电路芯片，使用时要注意2个问题：一个是转换时间及转换精度；另一个是转换出来的模拟量的形式是什么（电流量还是电压量）。,1.D/A转换电路接口技术,-D/A转换即是将数字量转换成相应的模拟量，常用于控制系统中。如单片机输出不同的数字量经D/A转换后加给直流电机，即可控制电机的转速。,D/A转换原理-倒T型电阻网络D/A转换电路原理,图5.6（a）倒T型电阻网络D/A转换原理图,R,2R,2R,2R,2R,R,R,R,R,D0,D1,D2,D3,节点3,节点2,节点1,节点0,I,VREF,+,-,VOUT,I3,I2,I1,I0,图中D3D2D1D0是4位二进制数字量输入，当D3D2D1D0中的某一位状态为1时，图中开关打向右方，为0时，开关打向左方。,RF,IOUT1,IOUT2,VREF为基准电压输入，Vout是电压模拟量输出。由运算放大器概念可知：,Vout=-RFIout1,Iout1,是开关打向右端的各支路电流,Ii,之和，实际上,（其中就是数字量D3D2D1D0的某一位）,Di,由等效电路图5.6（b）可知，各支路电流分别为：,上式右边,表示的就是数字量D3D2D1D0的值（按权展开），而左边是模拟量输出值，可见模拟量输出正比于数字量输入，即实现了D/A转换。,请思考：倒T型电阻网络相对于权电阻网络有什么优势？,b.DAC0832与单片机的接口,.DAC0832的引脚,0832-8位D/A,0832引脚功能,IOUT2,电流输出2,CS,选片,WR1,输入写,DI0DI7,数据线,CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFRDGND,VccILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT2IOUT1,DAC写,WR2,IOUT1,电流输出1,数据锁存,ILE,数据传送,XFER,.DAC0832的结构,输入寄存器,DAC寄存器,D/A转换器,ILE,CS,WR1,WR2,XFER,IOUT1,IOUT2,DI7DI0,RFR,VREF,.DAC0832与单片机的接口,单缓冲方式接口电路-将两级寄存器的控制信号并接在一起，相当于控制一级寄存器（线选译码地址00FEH）。,8031,WR,ALE,P0,DI7DI0,CS,XFER,WR1,WR2,DAC0832,IOUT2,IOUT1,+,-,RFR,A0,373,G,A7A0,图5.9DAC0832单缓冲方式接口电路图,ILE,+5V,采用单缓冲方式输出锯齿波、矩形波、三角波、梯形波等的D/A转换程序（见教材p103105）,锯齿波,ORG2000H,START：MOVDPTR，#00FEH