第六章单片机系统扩展

1、第六章 单片机系统的扩展6.1 系统扩展概述（了解）6.2 常用扩展器件介绍（记忆）6.3 存储器的扩展（掌握）6.4 外部串行口的扩展（自学）6.1系统扩展概述nMCS51系列单片极的功能较强，这就使得在智能仪器、仪表、小型检测及控制系统、家用电器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但在由单片机构成的实际测控系统中，单片机片内所具有的功能往往不能满足要求，因此在系统设计时首先要解决系统扩展问题。单片机的系统扩展主要有程序存储器（ROM）扩展，数据存储器（RAM）扩展以及I/O口的扩展。MCS-51单片机有很强的扩展功能，外围扩展电路、扩展芯片和扩展方法都非常典型、规范。本章

2、首先初步了解扩展的方法及应用，然后详细讨论各种扩展的常见电路、芯片以及使用方法。6.1.1最小应用系统n一、单片机最小系统一、单片机最小系统n使单片机能运行的最少器件构成的系统，就是最小系统最小系统。n无ROM芯片：8031 必须扩展ROM，复位、晶振电路n有ROM芯片：89c51等，不必扩展ROM，只要有复位、晶振电路8031最小系统最小系统的特点n（1）系统有大量的I/O口供用户使用。n（2）内部存储器的容量有限，只有128B的RAM和4KB的程序存储器。n（3）片内无程序存储器的芯片构成最小应用系统时，必须在片外扩展程序存储器。由于一般用作程序存储器的EPROM芯片不能锁存地址，故扩展时

3、还应加上1 个锁存器，构成一个3片最小系统，由于8031和EPROM芯片价格非常低廉，故3片最小系统是目前常用的基本系统。 6.1.2 系统扩展的内容与方法n1系统扩展的内容n外部程序存储器n外部数据存储器n输入输出接口n管理功能器件的扩展（如定时/计数器、键盘/显示器、中断优先编码器等）2.系统扩展的基本方法并行扩展法n利用单片机的三组总线进行系统的扩展。n串行扩展法n利用UART双总线、SPI三线总线和I2C双总线进行系统扩展3.单片机的三总线结构n当单片机最小系统不能满足系统设计的要求时，就必需作扩展通常也是扩展成为一般微型计算机的3总线模式。n地址总线：因为p0口是地址数据复用的所以为

4、保存地址信息要外加一个地址锁存器存放低8位地址信息。一般都用ALE正脉冲信号的下降沿进行锁存。n数据总线：P0n控制总线：ALE，PSEN*，RD*，WR*，EA*。n8031的系统扩展就是属于这种三总线结构的。三总线结构有关指令MOVXnMOVX DPTR，AMOVX A，DPTR6.2 常用的扩展器件介绍常用的扩展器件介绍n在外设接口电路中，经常需要对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存，能实现上述功能的接口芯片最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。n一、74系列器件n 74系列器件是TI(德州仪器)公司生产的中小规模TTL集成电路芯片，这是一种低成本、工业民用产品，工作温度为070

5、，从功能和速度分类有如下几类：n74xxx标准TTL n74Lxxx低功耗TTLn74Sxxx肖特基型TTL n74LSxxx低功耗肖特基型TTLn74ALSxxx高性能型TTL n74Fxxx高速型TTLn74HCxxx HC是高速COMS n说明： 对于相同编号(XXX)，不同类型的芯片，其逻辑功能完全一样。二、二、锁存器锁存器74LS37374LS373n74LS373的功能：n当使能端G为高电平时，同时输出允许端OE为低电平，则输出Q=输人D;n当使能端G为低电平，而输出允许端OE也为低电平时，则输出Q=Qo(原状态，即使能端G由高电平变为低电平前，保持输出端Q的状态，这就是“锁存”的

6、意义)。n当输出允许端OE为高电平时，不论使能端G为何值，输出端Q总为高阻态。n 74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息 二、二、锁存器锁存器74LS27374LS273nD0D7是输入端，Q0Q7是输出端，CP接脉冲信号。n是片选端（异步主复位输入端，低电平有效）。真值表三、缓冲器74LS244 n一种三态输出的八路缓冲器（总线驱动器）n1A11A4,2A12A4为输入， 1Y11Y4,2Y12Y4为输出n当1G有效（低电平）时：1Y11Y4输出等于1A11A4;n当2G有效（低电平）时：2Y12Y4输出等于2A12A4;n而当1G(或2G)为高电平时，输出1Y11Y4(或2Y1

7、-2Y4)为高阻态。n经74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。n74LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。 n常用的缓冲器还有74LS240和74LS241等。四、数据收发器74LS245 五、五、3-8 地址译码器：地址译码器：74LS138简单I/O口的扩展n利用373和273使用MOVX指令扩展I/O口n单芯片扩展n多芯片扩展6.3存储器扩展nMCS-51系列单片机具有系列单片机具有64 KB的程序存储器空间，的程序存储器空间， 其中其中8051、 8751型单片机含有型单片机含有4 KB 的片内程序的片内程

8、序存储器存储器, 而而8031型单片机则无片内程序存储器。型单片机则无片内程序存储器。 当采用当采用8051、 8751型单片机而程序超过型单片机而程序超过4 KB, 或或采用采用8031型单片机时型单片机时, 就需要进行程序存储器的就需要进行程序存储器的扩展。扩展。MCS-51系列单片机的数据存储器与程序系列单片机的数据存储器与程序存储器的地址空间是互相独立的存储器的地址空间是互相独立的, 其片外数据存其片外数据存储器的空间可达储器的空间可达64 KB, 而片内的数据存储器空间而片内的数据存储器空间只有只有128 B。 如果片内的数据存储器不够用时如果片内的数据存储器不够用时, 则则需进行数

9、据存储器的扩展。需进行数据存储器的扩展。 6.3.1存储器扩展概述存储器扩展概述6.3.1存储器扩展概述（存储器扩展概述（2）n存储器扩展的核心问题是存储器的编址问题。 所谓编址就是给存储单元分配地址。 由于存储器通常由多片芯片组成, 为此存储器的编址分为两个层次: 即存储器芯片的选择编址和存储器芯片内部存储单元的编址。 n存储器芯片的选择编址有两种方法: 线选法和译码法。 存储器芯片的选择方法n1. 线选法线选法n所谓线选法, 就是直接以系统的地址线作为存储器芯片的片选信号的编址方法。为此只需把用到的地址线与存储器芯片的片选端直接相连即可。优点：简单明了、成本低。缺点：浪费大量的存储空间，只

10、适用于存储容量不需要很大的小规模单片机系统。n2. 译码法译码法n所谓译码法就是使用地址译码器对系统的片地址进行译码, 以其译码输出作为存储器芯片的片选信号的选择方法。这是一种最常见的的存储器编址方法，能有效的利用存储空间，适用于大容量多芯片的存储器的扩展。译码电路除采用一般的门电路外更多的是采用24译码器（74ls139）38译码器（74ls138）416译码器（74ls154）译码法的分类译码法的分类n译码法又分为完全译码和部分译码两种。n(1) 完全译码。 n地址译码器使用了全部地址线， 地址与存储单元一一对应， 也就是1个存储单元只对应1个唯一的地址。n(2) 部分译码。 n 地址译码

11、器仅使用了部分地址线， 地址与存储单元不是一一对应， 而是1个存储单元对应了几个地址。 1根地址线不接， 一个单元对应2(21)个地址； 2根地址线不接， 一个单元对应4(22)个地址； 3根地址线不接， 则对应8(23)个地址， 依此类推。地址译码关系图n所谓地址译码关系图， 就是一种用简单的符号来表示全部地址译码关系的示意图。 n例如： 从地址译码关系图上可以看出以下几点： 属完全译码还是部分译码； 片内译码线和片外译码线各有多少根； 存储器所对应的全部地址范围为多少。P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P

12、00A15 A14 A13 A12 A11 A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00100地址译码关系图（2）n例如在上面的关系图中， 有1个“”(A15不接)， 表示为部分译码， 每一个单元均对应2个地址。 片内地址线有11根(A100), 片外地址线有4根。 其所对应的地址范围如下：n当A15为0时， 所对应地址为00100000000000000010011111111111， 即2000H27FFH。n当A15为1时， 所对应地址为10100000000000001010011111111111, 即A000HA7FFH。n共对应了两组地址， 这两组地址在使用中同样有效。P27

13、 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00A15 A14 A13 A12 A11 A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A001006.3.2程序存储器的扩展n一、存储器的简介n存储器是计算机(包括单片机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。n存储器系统的三项主要性能是指标容量、速度和成本。1、存储器主要性能指标、存储器主要性能指标n存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存

14、的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；n存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；n存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。n为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。2、常用的、常用的EPROM芯片芯片有有2732、2764、27128、27256、27512等等 。3. 3. 常用常用EEPROMEEPROM芯片芯片有

15、2816A、 2817A、2864A等。(1) EEPROM2816A2816A的存储容量为2K8位，单一+5V供电，不需要专门配置写入电源。2816A能随时写入和读出数据，其读取时间完全能满足一般程序存储器的要求，但写入时间较长，须915ms，写入时间完全由软件控制。2816A的管脚如图1所示。(2)EEPROM2864A2864A是8K8位EEPROM，单一+5V供电，最大工作电流160mA，最大维持电流60mA，典型读出时间250ns。由于芯片内部设有“页缓冲器”，因而允许对其快速写入。2864A内部可提供编程所需的全部定时，编程结束可以给出查询标志。2864A的封装形式为DIP28，其

16、管脚如图2所示。A71A62A53A44A35A26A17A08I/O09I/O110I/O211GND12I/O313I/O414I/O515I/O616I/O717CE18A1019OE20WE21A922A823VCC242816ANC1A122A73A64A55A46A37A28A19A010I/O011I/O112I/O213GND14I/O315I/O416I/O517I/O618I/O719CE20A1021OE22A1123A924A825NC26WE27VCC282864ARDY/BUSY1NC2A73A64A55A46A37A28A19A010I/O011I/O112I/O

17、213GND14I/O315I/O416I/O517I/O618I/O719CE20A1021OE22NC23A9242817AA825NC26WE27VCC28二、EPROM程序存储器扩展实例n例例6.1 在8031单片机上扩展4KEPROM程序存储器n1. 选择芯片n本例要求选用8031单片机，内部无ROM区，无论程序长短都必须扩展程序存储器（目前较少这样使用，但扩展方法比较典型、实用）。n在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。芯片少，接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量大。如估计程序总长3KB左右，最好扩展一片4KB的EPROM 273

18、2，而不选用2片2716（2KB）。n在单片机应用系统硬件设计中应注意，尽量减少芯片使用个数，使得电路结构简单，提高可靠性，这也是8951比8031使用更加广泛的原因之一。A71A62A53A44A35A26A17A08O09O110O211GND12O313O414O515O616O717CE18A1019OE/VPP20A1121A922A823VCC242732/VPP为双功能管脚，当2732用作程序存储器时，其功能是允许读数据出来；当对EPROM编程（也称为固化程序）时，该管脚用于高电压输入，不同生产厂家的芯片编程电压也有不同。当我们把它作为程序存储器使用时，不必关心其编程电压。（1）

19、、EPROM 2732P2.0P2.1P2.2P2.3P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.7P0.61817141387431916151219652234567821192223171615141311109202930242322213233343536373839111D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0O7O6O5O4O3O2O1O0OE/VppALEPSENGOEGNDGND2412 18VccGNDCEEA31GND273280314K X 874LS373+5V（2）、硬件电路图3.

20、 扩展程序存储器地址范围的确定地址译码关系图地址范围：00000FFF， 10001FFF ，20002FFF， 30003FFF40004FFF， 50005FFF ，60006FFF， 70007FFF80008FFF， 90009FFF ，A000AFFF， B000BFFFC000CFFF， D000DFFF ，E000EFFF， F000FFFFP27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00A15 A14 A13 A12 A11 A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0000000000000111

21、111111111例6.2 用译码法扩展一片2764P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7PSENOECEAA0127648031ALEG OEDDDDDDDD01234567QQQQQQQQ01234567EA74LS138P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.7P2.6AAAAAAAAAAA23456789101112Y0O0O1O2O3O4O5O6O774LS373(8K*8)VppVGM+5V6.3.3数据存储器扩展一、SRAM扩展实例 例例6.3在一单片机应用系统中扩展2K字节静态RAM。1）芯片选择单片机扩展数据存储器常用的静态RAM芯片有

22、6116（2K8位）、6264（8K8位）、62256（32K8位）等。根据题目容量的要求我们选用SRAM 6116，它是一种采用CMOS工艺制成的SRAM，采用单一+5V供电，输入输出电平均于TTL兼容，具有低功耗操作方式。当CPU没有选中该芯片时（CE=1），芯片处于低功耗状态，可以减少80%以上的功耗。A71A62A53A44A35A26A17A08I/O09I/O110I/O211GND12I/O313I/O414I/O515I/O616I/O717CE18A1019OE20WE21A922A823VCC2461166116的管脚与EPROM 2716管脚兼容，管脚如图所示。6116有

23、11条地址线A0A10；8条双向数据线I/O0I/O7；CE*为片选线，低电平有效；WE*写允许线，低电平有效；OE*读允许线，低电平有效。6116的操作方式如表所示。CE*OE*WE*方式I/O0I/O7H未选中高阻LLH读O0O7LHL写I0 I7LLL写I0 I72）硬件电路P2.0P2.1P2.2P2.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.7P0.6181714138743191615121965223456781819222317161514131110930282322213233343536373839111D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q

24、2Q1Q0CEA10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O0ALEGOEGND2412VccGNDGND611680312K X 874LS373WEWR1627+5VRD1722OEP27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00A15 A14 A13 A12 A11 A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CE*00000000000000111111111111地址译码关系图3）片外RAM地址范围的确定及使用地址范围：00000FFF， 10

25、001FFF ，20002FFF， 30003FFF40004FFF， 50005FFF ，60006FFF， 70007FFF例6.4扩展8K RAM，地址范围是2000H3FFFH，并且具有唯一性；1）芯片选择 （1）静态RAM芯片62646264是8K8位的静态RAM，它采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型读取时间200ns，封装形式为DIP28，管脚如图所示。NC1A122A73A64A55A46A37A28A19A010I/O011I/O112I/O213GND14I/O315I/O416I/O517I/O618I/O719CE120A1021OE22A1123A924A825CE226WE27VCC286264（2）3-8译码器74LS138 题目要求扩展RAM的地址范围是唯一的2000H-3FFF