第5章 单片机的系统扩展

1、第5章 51单片机的系统扩展 n单片机系统的三总线的构造 n半导体存储器 n程序存储器和数据存储器的扩展方法n程序存储器和数据存储器的综合扩展nI/O接口的扩展主要内容2022-3-27单片机原理及其应用2 单片机系统的扩展是建立在地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）基础上的，这些总线都是并行的，能够理想地匹配CPU的处理速度。任何单片机之外的芯片和硬件资源必须通过总线与单片机相连，才能被单片机有效地管理，成为系统的有机组成部分。MCS-51单片机对外没有专用的地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB），在进行系统扩展时，首先需要扩展系统的三总线。 第5章 单片机的系

2、统扩展2022-3-27单片机原理及其应用3锁存器MCS-51P2P0ALEGA8A15A0A7D0D7地址总线PSENRDWREA数据总线控制总线MCS-51 单片机三总线构造原理图2022-3-27单片机原理及其应用4 当MCS-51单片机需要扩展外部ROM或外部RAM时，P0口可以提供低八位地址总线和数据总线，P2口提供高八位地址总线，这种情况下，P0和P2就不能再作为I/O使用了。对P0口采用分时复用技术使P0口的数据和地址分离。在时序上，P0口在ALE为有效高电平期间，输出低8位地址A7A0，同时，P2口上输出高8位地址A15A8。在ALE由高变低时，P0口上的地址信号锁存到地址锁存

3、器中。在ALE为有效低电平时，CPU对A15A0状态指定的单元进行操作，此时，P0口作为数据总线。 2022-3-27单片机原理及其应用5在单片机的片外增加一片地址锁存器，以ALE作为锁存控制信号，连接到锁存器的控制端G。当ALE为高电平时，P0口输出地址信息；在ALE出现下跳沿时，把P0口的地址信息锁存；ALE为低电平期间P0用作数据总线。D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7ALEEGP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7A0A1A2A3A4A5A6A7 74LS373作为地址锁存器的电路 2022-3-27单片机原理及其应用6 采用地址

4、锁存器使P0口分时提供的地址和数据信息分离，形成了分立的并行总线：地址总线、数据总线和控制总线，单片机的存储器、并行I/O扩展以及其他部件的扩展都是以此为基础进行的。 地址总线（Address Bus，AB）由P0口输出的低8位地址必须经地址锁存器（74LS373或74LS273）锁存，这样，P2口和地址锁存器的8位输出构成了MCS-51的地址总线A15A0.A15P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 MCS-51单片机的地址总线为1

5、6位，它的存储器最大的扩展容量为216，即64K个单元。2022-3-27单片机原理及其应用7数据总线（Data Bus，DB）传送的是数据信息，数据总线是双向的。数据总线用于在单片机与存储器之间、单片机与I/O口之间进行数据传送。单片机的数据总线为8位，由P0口提供，数位与P0口之间的对应关系为:D7D6D5D4D3D2D1D0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.02022-3-27单片机原理及其应用8 控制总线（Control Bus，CB）用来传送控制信号，用来协调单片机系统中各个部件的工作。MCS-51单片机与扩展相关的控制总线如下： （1）ALE用来实现低8

6、位地址的锁存。 （2） EA 片内/片外程序存储器选择控制信号。 （3）PSEN外部程序存储器读选通信号。 （4）WR 扩展的外部数据存储器和外部I/O口的写控制信号，是P3.6的第2功能，单片机输出的信号； （5）RD 扩展的外部数据存储器和外部I/O的读控制信号，是P3.7的第2功能，单片机输出的信号。2022-3-27单片机原理及其应用9 虽然51单片机有4个8位的I/O口，但实际使用中，往往要占用P0口和P2口进行系统扩展，使真正可留给用户使用的I/O口只有P1口和P3口的部分口线。2022-3-27单片机原理及其应用10 存储器是计算机的记忆部件。CPU 要执行的程序、要处理的数据及

7、中间结果等都存放在存储器中。存储容量和存取时间是存储器的两项重要指标，它们反映了存储记忆信息的多少与工作速度的快慢。根据读的方式，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。 2022-3-27单片机原理及其应用11 5.2.1 随机存取存储器 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）可以多次写入和读出，每次写入后，原来的内容自动消失，被新写入的内容代替；对RAM进行读操作，不会改变RAM存储单元的内容；当电源掉电时，RAM里的内容随即消失。 RAM可分为为静态RAM和动态RAM。2022-3-27单片机原理及其应用12 静态RAM存取速度快，只要不掉

8、电就可以持续地保持存储内容不变。在单片机应用系统被广泛使用。 动态RAM采用MOS晶体管栅极电容动态地存储电荷。存储信息的电容有足够多的存储电荷时表示“1”，无存储电荷时表示“0”。由于电容上的电荷会因电路泄漏而逐渐消失，即使电源不掉电，经过一段时间，动态RAM中的所存储的信息也会丢失。RAM是由若干个单元构成的，RAM内容的存取是以字节为单位的，为了区别各个不同的单元，将每个存储单元赋予一个编号，即存储单元的地址。存储单元是存储信息的最基本单位，不同的单元有不同的地址。在进行读写操作时，可以按照地址访问某个单元。2022-3-27单片机原理及其应用13 5.2.2 只读存储器 只读存储器（R

9、ead Only Memory，ROM），ROM一般用来存储程序和表格常数。ROM是采用特殊方式写入的，一旦写入，在使用过程中不能随机地修改，只能从其中读出信息。与RAM不同，当电源掉电时，ROM仍能保持内容不变。在读取该存储单元内容方面，ROM和RAM相似。只读存储器有掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM（也称EEPROM）、Flash ROM等。它们的区别在于写入信息和擦除存储信息的方式不同。2022-3-27单片机原理及其应用14 5.3.1 常用的程序存储器芯片27系列芯片 单片机的程序存储器通常采用只读存储器，使用较多的是EPROM和EEPROM。本节主要介绍EPROM的扩

10、展方法。 典型EPROM为27系列芯片，其中27为产品代号，表示芯片存储位的容量（单位：K）。常用的芯片有：2716（2 K8位，2 K个单元，每个单元8位）、2732（4 K8位）、2764（8 K8位）、27128（16 K8位）、27256（32 K8位）和27512（64 K8位）等。2022-3-27单片机原理及其应用1527各芯片管脚及其兼容性能2022-3-27单片机原理及其应用16 （一）引脚介绍（以2764为例）： （1）电源线 Vcc（28脚）：工作电源，+5V； GND（14脚）：地； VPP（1脚）：编程电源。当芯片编程时，由该引脚加编程电压，编程电压有以下几种：12.

11、5V，25V，在芯片编程时，应确认芯片的编程电压。在芯片工作在应用系统中时，VPP接+5V。 （2）地址线（A12A0） 2764的容量为8K个单元，它有13根地址线。 2022-3-27单片机原理及其应用17 （3）数据线（D7D0） （4）片选线 CE：片选与芯片编程控制。当芯片工作在应用系统中时，作为芯片的片选信号，低电平有效。 （5）控制线 OE ：输出控制信号，低电平有效。 OE低电平时，2764的输出缓冲器打开，由A12A0指定单元的内容从D7D0输出。 PGM：芯片编程控制信号。当芯片编程时，用于引入编程脉冲。当芯片工作在应用系统中时，PGM接5V。2022-3-27单片机原理及

12、其应用18 （二）工作方式 EPROM一般有5种工作方式，由 、 、 、 等信号的状态组合来确定。我们仍然以2764为例来说明EPROM的工作方式。 （1）读 当 ，2764被选中，此时，若 、VPP接5V、且 为高电平，由地址线A12A0的状态指定单元的内容从D7D0输出。CEOEPGM0CE 0OE PGM2022-3-27单片机原理及其应用19 （2）未选中 时，2764未选中，此时，D7D0输出为高阻状态，2764处于低功耗维持状态。 （3）编程 2764的VPP接指定的编程电压（如25V或12.5V）、 、 且 为低电平时，2764处于编程方式，把程序代码写入芯片。写入存储单元的地址

13、由地址线A12A0确定，写入内容从D7D0输入。1CE 0CE 1OE PGM2022-3-27单片机原理及其应用20 （4）编程校验 编程校验是为了检查写入的内容是否正确。VPP保持编程电压、 、 且 为高电平时，按读方式把写入的内容读出。 （5）编程禁止 VPP保持编程电压，只要 时，2764处于编程禁止状态，禁止写入程序。0CE 0OE PGM1CE 2022-3-27单片机原理及其应用21 5.3.2 外部程序存储器扩展原理 （一）外部程序存储器扩展使用的控制信号 （1）EA用于片内/片外程序存储器选择，输入信号。当EA=0时，CPU只访问扩展的片外程序存储器；当EA=1 时，单片机的

14、程序存储器可由片内程序存储器和片外程序存储器构成，当访问的空间超过片内程序存储器的地址范围时，单片机的CPU自动从片外程序存储器取指令。 （2）ALE用于锁存P0口输出的低8位地址。 （3）PSEN 片外ROM读选通，输出信号，低电平时，单片机从片外程序存储器取指令；在单片机访问片内程序存储器时，该引脚输出高电平。2022-3-27单片机原理及其应用22（二）外部程序存储器扩展原理MCS-51P0P2ALEPSEN锁存器GD7D0A7A0A15A8OEEPROM/E2PROMEA（1）程序存储器全部为外部的程序存储器扩展电路2022-3-27单片机原理及其应用23 MCS-51P0P2ALEP

15、SEN锁存器GD7D0A7A0A15A8OEEPROM/E2PROMEAVccR（2）保留片内程序存储器的程序存储器扩展电路原理2022-3-27单片机原理及其应用24 5.3.3 EPROM 扩展电路 （一） 单芯片EPROM的扩展 （1）采用2764为8031单片机扩展8K的程序存储器。 8031是MCS-51系列单片机中一款片内不含程序存储器的产品，因此，在使用8031单片机时，必须扩展程序存储器。由于芯片中没有程序存储器，8031单片机的程序存储器全部是外部的，因此， 必须接地。EA2022-3-27单片机原理及其应用25P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

16、P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0GED7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0VCC+5VA12A11A10A9A8PSENOEEACEVPPPGM8031276474LS373ALE图5.7 8031单片机扩展8K的程序存储器2022-3-27单片机原理及其应用26 图中地址锁存器选用74LS373。由于系统中只有1片EPROM，它的片选端 接地，使2764始终处于被选中的状态。另外，2764的容量为8K，在电路中仅使用了地址总线的低13位，即A12A0，也就是说，P2口仅有

17、P2.4P2.0被使用了。必须指出的是，虽然P2口剩余的口线没有被2764使用，但是，它们不能再作为I/O口线使用了。CE2022-3-27单片机原理及其应用27扩展得到的8K程序存储器的地址范围 由于单片机复位后，程序计数器PC的内容为0000H，对于8031来说，该单元必定位于扩展的外部程序存储器，因此，令“”为0，把上述编码写成十六进制数，我们得到了扩展的外部程序存储器的地址范围是00001FFFH，也就是说，对于扩展的2764的8K个单元，每个单元的地址是唯一的。2022-3-27单片机原理及其应用28（2）采用2764为80C51单片机扩展8K的程序存储器 80C51是MCS-51系

18、列单片机中一款片内含有4K程序存储器的产品。假设某一应用系统采用80C51单片机，而其程序代码容量大于4K，在保留片内4K程序存储器的基础上，再扩展8K的外部程序存储器，在这种情况下，EA必须接高电平，以使单片机复位后，首先从单片机内部的程序存储器执行程序，内部程序存储器占用了程序存储器地址空间的前4K，即00000FFFH。只有当程序计数器PC内容大于0FFFH时，CPU才会从外部扩展的程序存储器取指令。2022-3-27单片机原理及其应用29保留片内程序存储器的扩展方案80C51单片机扩展8K的程序存储器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.

19、5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0GED7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0VCC+5VA12A11A10A9A8PSENOEEACEVPPPGM80C51276474LS373+5VRALE2022-3-27单片机原理及其应用30保留片内程序存储器的扩展方案的单元地址分析2022-3-27单片机原理及其应用31 在保留片内程序存储器的前提下，外部程序存储器的地址如何确定呢？显然，00000FFFH这4K的地址空间已被内部程序存储器占用，外部程序存储器空间不能包含这一地址范围。我们令A13（P2.

20、5）的状态为“1”，A15A14都为0，那么，外部扩展的8K程序存储器地址范围为20003FFFH。（也可令A14（P2.6）的状态为“1”，A15A13为0，那么外部8K的地址为4000H5FFFH）。当PC内容在00000FFFH范围内时，虽然2764的A13A0的状态给出了单元地址，但是EA为高电平，CPU不会从2764芯片中取指令的。2022-3-27单片机原理及其应用32 （二） 多芯片EPROM的扩展 MCS-51单片机扩展多片程序存储器芯片时，程序存储器芯片地址线、数据线和输出控制（ ）连接与单个芯片的连接是一样的。如何分配存储空间，使扩展的各个存储器芯片之间在使用过程中不发生访

21、问冲突，是多个芯片扩展的关键。在设计时，必须保证各个芯片上的存储单元的地址在应用系统中是互不相同的。 （1）必须保证各个芯片不会在同一时刻被CPU选中 （2）在被选中的芯片上的各个存储单元的地址是唯一的。多个芯片的扩展主要解决的问题是保证各个芯片不会在同一时刻被选中，即芯片片选设计。OE2022-3-27单片机原理及其应用33 片选信号的产生方法：（1）采用线选法：通常用扩展时芯片没有使用的高位地址线直接选择芯片。（2）译码器译码法：用扩展时芯片没有使用的高位地址线作为译码器的输入，译码产生片选信号。2022-3-27单片机原理及其应用34 （1）2片外部程序存储器的扩展用2片2764为80C

22、51单片机扩展16K的外部程序存储器。80C51P0P2.0P2.4ALEPSENEAD7D0A7A0A12A8OECEPGMVppVccD7D0A7A0A12A8OECEPGMVppVccP2.6GD7|D0Q7|Q0E27642764Vcc888888855574LS373RIC0IC1IC2IC380C51单片机扩展16K的外部程序存储器2022-3-27单片机原理及其应用35为了使扩展的程序存储器空间与80C51片内的4KB的ROM不冲突（地址范围：00000FFFH），令P2.51，扩展16K的外部程序存储器地址分配如下（默认为0）：系统的程序存储器空间分配为： 片内ROM：0000

23、0FFFH； IC2： 20003FFFH； IC3： 60007FFFH。 2022-3-27单片机原理及其应用36 （2）多片外部程序存储器的扩展 译码器译码方法是使用译码器对MCS-51单片机的高位地址进行译码，用译码器的输出作为存储器芯片片选，以实现各扩展芯片片选不会同时有效，避免CPU访问冲突事件的发生。 译码器译码方法是单片机扩展时常用的一种方法。常用的译码器芯片有24译码器（74LS139）、38译码器（74LS138）和416译码器（74LS154）。2022-3-27单片机原理及其应用371）24译码器74L1BGNDG181615141312111

24、09Vcc0Y11Y12Y13Y12A2BG20Y21Y22Y23Y274LS139引脚图 74LS139真值表 2022-3-27单片机原理及其应用38 （2）38译码器 74LS1381234567ABCGNDG2A8161514131211109Vcc0Y7YB2GG11Y2Y3Y4Y5Y6Y2022-3-27单片机原理及其应用3974LS138的功能表2022-3-27单片机原理及其应用40 （3）采用译码器译码产生片选信号的程序存储器扩展80C51P0P2.0P2.4ALEPSENEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC1IC074LS139P2.6D7D0A7A

25、0A12A8OECE2764885IC4D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC5D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC6D7D0A7A0A12A8OECE27648885IC30Y1Y2Y3YBAGIC2采用4片2764为80C51扩展32K的外部程序存储器2022-3-27单片机原理及其应用41扩展32K的外部程序存储器地址分配如下（默认为0）：2022-3-27单片机原理及其应用42系统中各个芯片的地址范围如下IC3地址范围：00001FFFH；IC4地址范围：20003FFFH；IC5地址范围：40005FFFH；IC6地址范围：60007FFFH； 2022

26、-3-27单片机原理及其应用43 扩展32K的外部程序存储器采用全译码方式产生片选信号的电路： 采用译码器译码的方法产生片选时，如果全部的高位地址线都参加译码，称为全译码；如果仅有部分高位地址线参与译码，称为部分译码。2022-3-27单片机原理及其应用44 扩展程序存储器应注意： （1） 根据应用系统容量要求选择EPROM 芯片时，应使应用系统电路尽量简化，在满足容量要求时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数量。 （2）择好EPROM容量后，要选择好能满足应用系统应用环境要求的芯片型号。如最大读取时间、电源容差、工作温度以及老化时间等。 （3）通用EPROM 芯片管脚有一定的兼容性，在电路

27、设计时应充分考虑其兼容特点。如2764、27128、27256 ，可将第26、27 管脚的印刷电路连线设计成易于改接的形式。2022-3-27单片机原理及其应用45 5.4.1 常用静态数据存储器芯片单片机扩展外部数据存储器时，大都采用静态RAM，使用较为方便，不需要考虑刷新的问题。常用的静态数据存储器芯片有：6116（2K8）、6264（8K8）、62256（32K8）等。5.4 数据存储器扩展6116 6264622562022-3-27单片机原理及其应用46 6116 是2Kx8 位静态随机存储器芯片，采用CMOS 工艺制作，单一+5V 电源，额定功耗160mW，典型存取时间为200ns

28、，24个引脚，双列直插式封装。 A0A10 ：11位地址线；共有2K个单元。 I/O0I/O7：8位数据线； CE：片选信号，低电平有效；OE：输出控制。在CE为低电平时，OE为低电平把A0A10所指定的单元的内容从数据线I/O0I/O7输出。 WE：写入控制。在CE为低电平时，WE为低电平把数据线I/O0I/O7输入的数据写入到A0A10指定的单元。5.4 数据存储器扩展（1）61162022-3-27单片机原理及其应用476116的工作方式5.4 数据存储器扩展2022-3-27单片机原理及其应用48 （2）6264 6264是8K8 位的静态随机存储器芯片，单一+5V 电源，额定功耗20

29、0mW，典型存取时间为200ns。28个引脚，双列直插式封装。5.4 数据存储器扩展6264的工作方式2022-3-27单片机原理及其应用49（3） 62256 62256是32K8 位的静态随机存储器芯片，单一+5V 电源，28个引脚，双列直插式封装。5.4 数据存储器扩展62256的工作方式2022-3-27单片机原理及其应用50 5.4.2 外部数据存储器的扩展方法及时序5.4 数据存储器扩展MCS-51P0P2ALE锁存器GD7D0A7A0A15A8OERDWRWERAM单片机扩展外部RAM 的原理图2022-3-27单片机原理及其应用515.4 数据存储器扩展 扩展的外部数据存储器通

30、过地址总线、数据总线和控制总线与MCS-51单片机相连。由P2口提供存储单元地址的高八位、P0口经过锁存器提供地址的低8位。P0口也分时提供双向的数据总线。外部数据存储器的读写由MCS-51单片机的RD（P3.7）和 WR（P3.6）控制。 2022-3-27单片机原理及其应用52 显然，程序存储器与外部数据存储器使用同一地址总线，它们的地址空间是完全重叠的，但由于单片机对两种存储器设计了两种不同的控制信号和指令，故不会发生地址冲突。单片机访问外部程序存储器时，使用PSEN控制对外部程序存储器单元的读取操作，即使程序存储器和数据存储器的单元地址完全相同，也不会造成访问冲突。MCS-51单片机的

31、外部数据存储器的最大寻址空间为64KB，即0000FFFFH。由于MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口是统一编址的，它们共同占用这一地址空间。5.4 数据存储器扩展2022-3-27单片机原理及其应用53读取外部数据存储器由下列指令实现： MOVX A, DPTR 或 MOVX A, Ri。CPU执行这种指令需要2个机器周期，第1个机器周期CPU从程序存储器中取指令，第2个机器周期CPU执行指令，读取数据存储器的指定单元的内容。在读取周期中，P2口输出外部数据存储器单元地址的高八位（A15A8），P0口输出单元地址的低八位（A7A0）。 外部数据存储器写入操作由下列指令实现：MOV

32、X DPTR, A 或 MOVX Ri, A。5.4 数据存储器扩展2022-3-27单片机原理及其应用54 5.4.3 静态RAM扩展电路 （一） 单片静态RAM芯片的扩展 （1）采用6264为MCS-51单片机扩展8K外部数据存储器5.4 数据存储器扩展P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0GED7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0VCC+5VA12A11A10A9A8EA80C51626474LS373+5VR

33、ALECE2CE1WEOEWRRD2022-3-27单片机原理及其应用555.4 数据存储器扩展若默认为0，用6264扩展的8K外部数据存储器地址范围是：00001FFFH。8K外部数据存储器地址分析：2022-3-27单片机原理及其应用56 （2） 单片机外部RAM的使用 例1 把系统中的0250H单元的内容转存到单片机内部RAM的20H单元。 例2 单片机内部RAM的寄存器R3的内容转存到系统中的1000H单元。 5.4 数据存储器扩展2022-3-27单片机原理及其应用5780C51P0P2.0P2.4ALEEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC3IC0P2.6D7

34、D0A7A0A12A8OE6264885IC4D7D0A7A0A12A8OE6264885IC5D7D0A7A0A12A8OECE162648885IC3P2.7RDWRWEWEWERVccCE2CE1CE2CE1CE2VccVccVcc采用线选法为80C51扩展24K外部数据存储器的电路 5.4 数据存储器扩展（二） 多片静态RAM芯片的扩展 （1）线选法2022-3-27单片机原理及其应用585.4 数据存储器扩展24K外部数据存储器地址分析：2022-3-27单片机原理及其应用59系统的外部数据存储器的24K地址空间分配为： IC3：C000DFFFH； IC4：A000BFFFH； I

35、C5：60007FFFH。 线选法的优点是电路连接简单，产生片选信号时不必另加其他逻辑元件，但是，这种方法导致存储器芯片的地址空间是不连续的，不能充分地利用存储空间，扩展的存储器容量有限， 5.4 数据存储器扩展2022-3-27单片机原理及其应用60 （2）译码器译码法 5.4 数据存储器扩展80C51P0P2.0P2.4ALEEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC3IC074LS138P2.6D7D0A7A0A12A8OE6264885IC4D7D0A7A0A12A8OE6264885IC5D7D0A7A0A12A8OE6264885IC6D7D0A7A0A12A8O

36、E62648885IC3IC2ABCG2AG2BG10Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7YP2.7RVccVccRDWRWEWEWEWECE1CE1CE1CE1CE2VccCE2VccCE2VccCE2Vcc74LS138采用译码器译码方法为80C51扩展32K外部数据存储器的电路 2022-3-27单片机原理及其应用615.4 数据存储器扩展32K外部数据存储器地址分析：2022-3-27单片机原理及其应用62译码器译码方法采用译码电路把存储器的地址空间划分为若干块，可以扩展多个芯片，并且能充分地利用地址空间，使扩展的存储器地址空间连续，适合于多芯片扩展的复杂系统。 在实际扩展外部数据存储器时，根

37、据应用系统容量要求选择静态RAM 芯片时，在满足容量要求时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片数量，提高系统的可靠性。5.4 数据存储器扩展2022-3-27单片机原理及其应用63 在实际应用中，有时需要同时扩展程序存储器、数据存储器或者接口电路，如何把程序存储器的64K和外部数据存储器的64K空间分配给系统中的芯片，并使程序存储器芯片之间、数据存储器以及接口芯片之间的地址不发生重叠，避免单片机访问时产生冲突，是单片机硬件系统设计时必须考虑的问题。5.5程序存储器和数据存储器的同时扩展2022-3-27单片机原理及其应用64 （1）采用线选法扩展程序存储器和数据存储器 5.5程序存储器和数据存储器

38、的同时扩展80C51P0P2.0P2.4ALEPSENEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC2IC1P2.6D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC4D7D0A7A0A12A8OECE6264885IC5D7D0A7A0A12A8OECE6264885IC6D7D0A7A0A12A8OECE27648885IC3WRRDWEWE+5VR一种采用线选法扩展程序存储器和数据存储器的电路2022-3-27单片机原理及其应用65 当P2.50，P2.61，默认P2.70时，IC3和IC5的地址范围是：40005FFFH； 当P2.51，P2.60，默认P2.70时，I

39、C4和IC6的地址范围是：20003FFFH； 由于 接高电平，单片机片内ROM占用了00000FFFH的地址空间。 如果把 接地，本方案是无效的。 接地，意味着单片机的程序存储器全部是外部的，当单片机上电或复位后，（PC）0000H，CPU从0000H单元取指令，此时P2.50、P2.60，IC4和IC6同时选中了，访问冲突发生了。 EAEAEA5.5程序存储器和数据存储器的同时扩展2022-3-27单片机原理及其应用66 （2）采用译码器译码方法扩展程序存储器和数据存储器5.5程序存储器和数据存储器的同时扩展80C51P0P2.0P2.4ALEPSENEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E8

40、8574LS373IC1IC074LS139P2.6D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC4D7D0A7A0A12A8OECE6264885IC5D7D0A7A0A12A8CE6264885IC6D7D0A7A0A12A8OECE27648885IC30Y1Y2Y3YBAGIC2WEOEWEWRRDP2.7一种采用译码器译码方法扩展程序存储器和数据存储器的电路2022-3-27单片机原理及其应用67当P2.70时，译码器74LS139被选中，P2.5和P2.6作为译码器的输入，译码器输出 、 、 和 分别用来作为IC3、IC4、IC5和IC6的片选。这是一种程序存储器和外部数据存

41、储器统一编址的方案，4块芯片上的存储器空间连续，不会产生地址重叠。各个芯片对应的存储空间为 IC3：00001FFFH； IC4：20003FFFH； IC5：40005FFFH； IC6：60007FFFH；Y0Y1Y2Y35.5程序存储器和数据存储器的同时扩展2022-3-27单片机原理及其应用685.6 5.6 并行并行I/O口的扩展口的扩展 MCS-51单片机具有四个并行单片机具有四个并行8位位I/O口（即口（即P0, P1, P2, P3），原理上这四个），原理上这四个I/O口均可用做双向并行口均可用做双向并行I/O接口，但在接口，但在实际应用中，可提供给用户使用的实际应用中，可提供

42、给用户使用的I/O口只有口只有P1口和部分口和部分P3口口线及作为数据总线用的线及作为数据总线用的P0口。在单片机的口。在单片机的I/O口线不够用的情口线不够用的情况下，可以借助外部器件对况下，可以借助外部器件对I/O口进行扩展。可资选用的器件口进行扩展。可资选用的器件很多，方案也有多种。很多，方案也有多种。并行并行I/OI/O口扩展的目的：口扩展的目的：为外围设备提供一个输入输出通道为外围设备提供一个输入输出通道。 （1）并行总线扩展的方法）并行总线扩展的方法 （2）串行口扩展方法）串行口扩展方法 （3）I/O端口模拟串行方法端口模拟串行方法 这里只介绍总线扩展方式下这里只介绍总线扩展方式下

43、I/O接口的扩展方法。接口的扩展方法。 2022-3-27单片机原理及其应用69MCS-51MCS-51单片机扩展并行单片机扩展并行I/OI/O口的扩展性能口的扩展性能 访问扩展访问扩展I/O口的方法与访问数据存储器完全相同，使用相同口的方法与访问数据存储器完全相同，使用相同的指令，的指令，所有扩展的所有扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址口与片外数据存储器统一编址。 利用串行口扩展法扩展的外部并行利用串行口扩展法扩展的外部并行I/O口不占用外部口不占用外部RAM地地址空间。址空间。 利用并行总线扩展的方法扩展外部并行利用并行总线扩展的方法扩展外部并行I/O口时，必须注意口时，必须注意P0,

44、 P2, P3口的负载问题，若负载能力不够，必须进行口的负载问题，若负载能力不够，必须进行总线驱动总线驱动能力扩展能力扩展。 扩展外部并行扩展外部并行I/O口对外设的硬件具有依赖性（驱动功率、电口对外设的硬件具有依赖性（驱动功率、电平匹配、干扰抑制、隔离等）。平匹配、干扰抑制、隔离等）。2022-3-27单片机原理及其应用70单片机I/O接口的扩展n简单芯片扩展I/O接口 n8255可编程接口芯片及其使用n8155可编程接口芯片及其使用 CPU 外设（键盘、显示器、A/D、D/A等）1、I/O接口的功能速度匹配：锁存数据、传送联络信号。输入设备数据缓冲适应CPU的快速操作。数据格式转换：并-串

45、转换、A/D、D/A转换。电平转换：电平幅值或正/负逻辑转换。隔离：通过接口三态门将总线与其它设备隔离。I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用71简单芯片扩展I/O接口2、I/O接口的编址方式访问扩展I/O口的方法与访问外部RAM存储器完全相同，使用相同的指令，所有扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址。因此用户可以把单片机外部64KRAM空间的一部分作为扩展I/O的地址空间。2022-3-27单片机原理及其应用72n实现方式采用TTL、CMOS电路。n设计原则输入口具有缓冲作用缓冲器。 输出口具有锁存作用锁存器。n常用TTL芯片 缓冲器：74LS244，74LS245 锁存器： 74

46、LS273，74LS373，74LS374，74LS377等。简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用73 芯片功能介绍 （1）74LS244三态缓冲器(24路)1G状态输入/输出1高阻隔离0驱动输入输出 74LS244三态缓冲器功能表 简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用74CLR(MR)CLK(CP)LXH DnQnXLHHH HLLLxQ074LS273 8D锁存器真值表 （2）74LS273 8D锁存器简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用75外设外设74LS27374LS2448051P0CLKGABCBCLRVcc74LS

47、273输出Q随输入D变化，CLR必须为高电平如何连接?CLK/G的设计应综合地址和控制信息。解决方案：实例：用74LS273和74LS244扩展I/O口简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用76（1）用74LS273 CLK的设计 74LS273为锁存器，通常可作为输出口。对于单片机来说，数据输出控制由WR实现。 假设P2.0=0时，单片机选中74LS273。 则，可以得到下列真值表实现CLK真值表P2.001WRCLK00X1X11WRP2.0CLK简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用77 74LS244为缓冲器，通常可作为输入口。对于单片机来说，数

48、据输出控制由RD实现。 假设P2.0=0时，单片机选中74LS244。 则，可以得到下列真值表实现CLK真值表P2.001RDG(1G/2G)00X1X11RDP2.0G（2）用74LS244 1G/2G 的设计简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用78（3）用74LS273和74LS244扩展I/O口简单芯片扩展I/O接口2022-3-27单片机原理及其应用79A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2

49、 P0.1 P0.0 xxxxxxx0 xxxxxxxx74LS273和74LS244的地址空间分析：地址为： FEFFH111111111111111简单芯片扩展I/O接口MOV DPTR, #FEFFHMOVX A,DPTR MOVX DPTR,A2022-3-27单片机原理及其应用80RAM/IO扩展芯片扩展芯片8155 （1 1）功能与引脚）功能与引脚 8155芯片内具有芯片内具有256B的静的静态态RAM，2个个8位可编程并行位可编程并行I/O口口PA、PB， 1个个6位可编程并行位可编程并行I/O口口PC， 定时器高定时器高8位，定时位，定时器低器低8位（位（1个个14位计数器位计

50、数器）和命）和命令令/状态状态寄存器寄存器。其特点是接口简。其特点是接口简单、内部资源丰富、应用广泛。单、内部资源丰富、应用广泛。引脚图如右图所示。引脚图如右图所示。可编程并行可编程并行I/O接口芯片扩展接口芯片扩展 2022-3-27单片机原理及其应用81RAM/IO扩展芯片扩展芯片81552022-3-27单片机原理及其应用82RAM/IO扩展芯片扩展芯片8155IO/M: RAM或I/O口选择信号。8155片内I/O口和RAM分开编址。=0时，选中8155片内RAM，=1时，选中8155片内I/O口、命令/状态寄存器和定时/计数器。RD、WR：控制8155的读、写操作。CE:RESET:

51、TIMEIN:8155内部定时/计数器的时钟脉冲信号输入TIMEOUT:8155内部定时/计数器的脉冲输出线2022-3-27单片机原理及其应用83（2 2）81558155芯片的芯片的RAMRAM和和I/OI/O地址编码地址编码 8155的的I/O端口及端口及RAM地址在单片机应用系统中与外部数地址在单片机应用系统中与外部数据存储器是统一编址的，其控制操作如左下表所示，对应据存储器是统一编址的，其控制操作如左下表所示，对应I/O口口寄存器的地址编码如右下表所示。寄存器的地址编码如右下表所示。 RAM/IO扩展芯片扩展芯片8155CE/IO MRDWR控制信号控制信号操作操作0001读读RAM

52、（地址（地址00HFFH）0010写写RAM0101读内部寄存器读内部寄存器0110写内部寄存器写内部寄存器1XXX无操作无操作2022-3-27单片机原理及其应用84A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 选中寄存器选中寄存器 0 0 00 0 0 命令命令/ /状态寄存器状态寄存器 0 0 1 0 0 1 A A口口 0 1 0 0 1 0 B B口口 0 1 1 0 1 1 C C口口 1 0 0 1 0 0 定时器低定时器低8 8位位1 0 1 1 0 1 定时器高定时器高8 8位位2022-3-27单片机原理及其应用85（3 3

53、）命令）命令/ /状态寄存器状态寄存器 8155芯片的命令芯片的命令/状态寄存器状态寄存器只有一个端口地址只有一个端口地址，对该端，对该端口写操作，命令字被写入命令寄存器；对该端口读操作，则从口写操作，命令字被写入命令寄存器；对该端口读操作，则从状态寄存器读出状态字。状态寄存器读出状态字。8155的的命令字格式命令字格式如下图所示。如下图所示。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 计时方式计时方式 B口中断口中断 A口中断口中断 工作方式工作方式 B口口 A口口 TM2TM1= 00：方式：方式0 01：方式：方式1 10：方式：方式2 11：方式：方式3 IEB= 1：允许：允许

54、 0：禁止：禁止 IEA= 1：允许：允许 0：禁止：禁止 PC2PC1= 00：ALT1 11：ALT2 01：ALT3 10：ALT4 PB= 0：输入：输入 1：输出：输出 PA= 0：输入：输入 1：输出：输出 2022-3-27单片机原理及其应用86TM2TM1有4种控制定时器启动与停止的方式，各方式如下： 2022-3-27单片机原理及其应用87 8155的状态字格式如下图所示 8155的的PA、PB口有口有2种工作方式：种工作方式：基本I/O和选通I/O。基本I/O：无条件的进行数据的输入输出；选通I/O：数据的输入输出受某些联络信号的控制。2022-3-27单片机原理及其应用8

55、8 表5-3 各种ALT方式下PA、PB、PC口的工作方式工作方式工作方式 接口接口A B C ALT1 基本基本I/O方式方式 基本基本I/O方式方式 基本输入方式基本输入方式 ALT2 基本基本I/O方式方式 基本基本I/O方式方式 基本输出方式基本输出方式 ALT3 选通选通I/O方式方式 基本基本I/O方式方式 上上C口为通信口为通信线线 下下C口输出方口输出方式式 ALT4 选通选通I/O方式方式 选通选通I/O方式方式 通信线通信线 2022-3-27单片机原理及其应用89 （4 4）定时器）定时器/ /计数器计数器 8155芯片内有一个芯片内有一个14位的减位的减1计数器，可对输入脉冲进行减计数器，可对输入脉冲进行减法计数，它