第8章 外部系统的扩展

单片原理及接口（第2版）清华大学出版社

主编：陈忠平曹巧媛曹琳琳徐刚强刘琼第8章外部系统的扩展

8.1并行扩展总线线译码法就是直接将系统的高位地址线连到所扩展芯片的片选端，作为其片选信号，一根地址线对应一个片选。

全译码法是将片内选址后剩余的高位地址通过译码器进行译码，译码后的输出产生片选信号，每一种输出作为一个片选。

部分地址译码法是将高位剩余的地址一部分进行译码，另一部分则悬空暂时不用。

8.1.1并行扩展总线方法8.1.2地址译码方法8.1.3总线驱动单片机的P0口可驱动8个TTL门电路，P1、P2、P3只能驱动4个TTL门电路。当应用系统规模较大，超过其负载能力时，系统将不能稳定地进行工作，需加总线驱动。地址总线和控制总线的驱动器为单向、三态输出、一个控制端，常用的驱动器有74LS240、74LS241和74LS244；数据总线的驱动器为双向、三态输出、两个控制端，常用的驱动器有74LS245等。

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1.SPI串行总线具有以下几个特点：（1）三线同步；（2）全双工操作；（3）主从方式；

（4）有4种可编程时钟速率

（5）具有可编程极性和相位的串行时钟；（6）有传送结束中断标志、写冲突出错标志、总线冲突出错标志。

2．SPI串行总线的接口电路及工作原理8.2串行总线扩展8.2.1

SPI总线SPI总线接口的典型电路

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SPI数据的交换

3．时钟相位和极性

CPHA为0时传送格式

CPHA为1时传送格式

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4．SPI的应用（1）自带SPI接口的单片机扩展并行I/O端口（2）SPI串行总线在STC89系列单片机中的实现

使用不具有SPI接口功能的STC89系列单片机时，那么只能通过软件来模拟SPI操作。假设P1.5模拟SPI的数据输出端MOSI，P1.7模拟SPI的SCK输出端，P1.4模拟SPI的从机选择端/SS，P1.6模拟SPI的数据输入端MISO。若外围器件在SCK的下降沿接收数据，上升沿发送数据时，单片机P1.7口初始值设为0，允许接口后P1.7设为1。单片机在输出1位SCK时钟的同时，接口芯片串行左移，使输出1位数据到单片机的P1.6口，即模拟了MISO，此后再置P1.7为0，使STC89C51单片机从P1.5（模拟MOSI）输出1位数据到串行接口芯片。这样模拟1位数据输入输出完成。然后，再将P1.7置1，模拟下1位数据输入输出……，依次循环8次，完成8位数据传输的操作。

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1．MicroWire总线引脚

MicroWire总线由串行数据输出线（SO）、串行数据输入线（SI）和串行时钟线（SK）组成8.2.2

MicroWire总线2．MicroWire总线系统的典型结构

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1．I2C总线的特点有2条线，一条SDA串行数据线，一条SCL串行时钟线。它采用“纯软件”的寻址方法，以减少连线数目。可工作在主/从方式。

I2C是一种真正的多主串行总线，多主器件竞争总线时，时钟同步和总线仲裁都由硬件自动完成。串行数据在主从之间可以双向传输；其传输速率在不同的模式下各不相同

数据总线上的毛刺波由芯片上的滤波器滤去，确保数据的完整性。同步时钟和数据线相配合产生可以作为启动、应答、停止或重启动串行发送的握手信号。连接到同一总线的I2C器件数只受总线的最大电容400pF限制。

8.2.3

I2C总线2．I2C总线的接口电路及工作原（1）I2C的接口电路

I2C设备与I2C总线的接口电路

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（2）工作过程在数据传输中，主设备为数据传输产生时钟信号。要求SDA数据线只有在SCL串行时钟处于低平时才能变化。总线的一次典型工作过程如下：①开始表明开始传输信号，由主设备产生；②地址主设备发送地址信息，包含7位的从设备地址和1位的指示位；③数据根据指示位，数据在主设备和从设备之间传输。数据一般以8位传输，接收器上用一位ACK（回答信号）表明每一个字节都收到了。传输可以被终止或重新开始；④停止信号结束传输，由主设备产生。

主/从式系统结构

多主式系统的结构图

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3．I2C信号时序分析（1）SDA与SCL的时序关系

（2）起始与停止信号

（3）应答信号ACK（Acknowledgement）和非应答信号/ACK

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（4）数据传输

（5）时钟同步（6）仲裁第8章外部系统的扩展

1．SMBus串行总线的特点（1）两线；（2）双向，可工作在主/从方式，一个总线上可以有多个主器件，通过“与”的逻辑来提供总线仲裁；（3）电压范围3~5V，设备可由VDD或自身电源供电，总线上不同器件的工作电压可以不同。

8.2.4

SMBus总线2．SMBus串行总线工作原理（1）工作原理

（2）数据的传输

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（3）总线仲裁若有两个或多个主器件同一时刻产生起始条件时，产生启动信号的主器件可能不知道其他主器件想占用总线，当SCL为高时，将在SDA线上产生冲突，所以使用总线仲裁迫使一个主器件放弃总线，变为从器件，等待另一个主器件数据传输完之后，再进行数据的传输。没有放弃总线的主器件继续发送起始条件，直到其中一个主器件发送高电平，而其他主器件在SDA上发送低电平。这样就要求在每一个总线发送周期内都要监视SDA线的工作状态。（4）时钟①时钟低电平的扩展：在数据传输期间可以采取低电平的扩展，从器件可以保持SCL为低电平以扩展时钟低电平时间。②SCL低电平超时：若保持低电平的时间超过25ms则认为SCL低电平超时，检测到超时条件的器件必须在10ms时间内复位，进行通信。③SCL高电平超时：如果一个器件的SCL和SDL为高电平的时间超过50μs，则认为总线处于空闲状态，可以发送起始条件。（5）工作方式①主发送器方式：SDA线上发送串行数据，SCL线上输出串行时钟，主器件输出起始、停止条件。②主接收器方式：SDA线上接收串行数据，SCL线上输出串行时钟，主器件输出起始、停止条件。③从发送器方式：SDA线上发送串行数据，SCL线上接收串行时钟。④从接收器方式：SDA线上接收串行数据，SCL线上接收串行时钟。

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3．SMBus总线的典型电路

4．SMBus与I2C总线的主要区别

SMBus总线与I2C总线相比主要存在这几个方面的差别：电气参数、时钟、通信协议、操作方式等方面。

（1）电气参数

SMBus总线和I2C总线都是以固定电源电压为基础的，也可以采用VDD电压的混合设备提供电源。SMBus总线定义VDD电压为3~5.0V±10%，而I2C总线定义VDD电压为5.0V±10%,固定电平为1.5~3.0V；SMBus定义输入电平可达VDD，而I2C定义它们电压范围为0.8~2.1V；在功耗方面，SMBus比I2C要求更加苛刻，对DC的要求更加严格；SMBus1.1版规定的最大漏电流为5μA，而I2C规定的最大漏电流是10μA。（2）时钟

SMBus总线规定其工作速率为10~100Kb/s,I2C总线没有这样的规定，只是工作在三种模式下（标准模式为100Kb/s、快速模式为400Kb/s和高速模式为3.4Mb/s）；SMBus时钟断开的最低时间为30ms，I2C总线没有这样的规定。

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1.单总线的特点采用单总线技术的主/从设备，具有以下几个方面的特点：（1）主/从设备间的连线少，有利于长距离通信；（2）功耗低，由于单线芯片采用CMOS技术，且从设备一般由主设备集中供电，因此耗电量很少（空闲时几μW,工作时几mW）；（3）主/从设备都为开漏结构，为使挂在总线上的每个设备在适当的时候都能驱动，它们与总线的匹配端口都具有开漏输出功能，因此在主设备的总线侧必须有上拉电阻；（4）单总线上传送的是数字信号，因此系统的抗干扰性能好，可靠性高；（5）特殊复位功能，线路处于空闲状态时为高电平，若总线处于低电平的时间大于器件规定值（通常该值为几百μs）时，总线上的从设备将被复位；（6）ROMID，单总线上可挂许多单线芯片进行数据交换，为区分这些芯片，厂家在生产这些芯片时，每个单线芯片都编制了唯一的ID地址码，这些ID地址码都存放在该芯片自带的存储器中，通过寻址就能把芯片识别出来。

8.2.5单总线第8章外部系统的扩展

2．单总线的接口电路及单总线芯片工作原理（1）单总线接口电路

（2）单总线芯片工作原理主设备在合适的时间内可驱动单总线上的每个从设备（单总线芯片），这是因为每个单总线芯片都有各自唯一的64位ID地址码。这64位ID地址码是厂家对每个单总线芯片使用激光刻录的一个64位二进制ROM代码，其中第一个8位表示单线芯片的分类编号；接着的48位是标识器件本身的序列号，这48位序列号是一个大于281×1012的十进数编码，所以完全可作为每个单总线芯片和唯一标识代码；最后8位为前56位的CRC（CyclicRedundancyCheek）循环冗余校验码。在数据通信过程中，检验数据传输正确与否主要是检验CRC循环冗余校验码。即数据通信中，主设备收到64位ID地址码后，将前56位按CRC生成多项式：CRC=X8+X5+X4+1，计算出CRC的值，并与接收到的8位CRC值进行比较，若两者相同则表示数据传输正确，否则重新传输数据。作为单总线从设备的单总线芯片，一般都具有生成CRC校验码的硬件电路，而作为单总线的主设备可使用硬件电路生成CRC校验码，也可通过软件的方法来产生CRC循环冗余校验码。

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3．单总线芯片的传输过程（1）初始化；（2）传送ROM命令；（3）传送RAM命令；（4）数据交换。

单总线信号波形

ROM功能命令主要是用来管理、识别单总线芯片，实现传统“片选”功能。ROM功能命令有7个：（1）读ROM：主设备读取从设备的64位ID地址码。该命令用于总线上只有一个从设备。（2）匹配ROM：上有多个从设备时，允许主设备对多个从设备进行寻址。从设备将接收到的ID地址码与各自的ID地址码进行比较，若相同表示该从设备被主设备选中，否则将继续保持等待状态。（3）查找ROM：统首次启动后，须识别总线上各器件。（4）直访ROM：系统只有一个从设备时，主设备可不发送64位ID地址码直接进入芯片对RAM存储器访问。（5）超速匹配ROM：超速模式下对从设备进行寻址。（6）超速跳过ROM：超速模式下，跳过读ROM命令。（7）条件查找ROM：于查找输入电压超过设置的报警门限值的某个器件。

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扩展的程序存储器有紫外线擦除的可编程只读存储器EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory），如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）和27512（64K×8）等。

8.3并行存储器的扩展8.3.1程序存储器的扩展2716的逻辑结构与引脚

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2716工作方式

工作方式VppVDDDO0~DO7读低电平低电平+5V+5V数据输出维持高电平任意+5V+5V高阻编程高电平高电平+25V+5V数据输入编程检验低电平低电平+25V+5V数据输出编程禁止高电平任意+25V+5V高阻三种芯片与单片机P0口的连接方法

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线译码法扩展EPROM存储器

全译码法扩展E2PROM存储器

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静态RAM读写速度相对快，字节宽度易于扩展，但集成度低，功耗大。典型产品有6116（2K×8）、6264（8K×8）、62256（32K×8）等。动态RAM集成度高，功耗低，但需增加一个刷新电路。iRAM（IntegratedRMA）,它将动态RAM系统集成到一个芯片，兼有静态和动态两者的优点，其典型产品有2186、2187等。

8.3.2数据存储器的扩展6264的逻辑结构与引脚

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6264工作方式

全译码法扩展存储器

工作方式CE2未选中（掉电）任意高电平任意任意高阻未选中（掉电）任意任意低电平任意高阻输出禁止高电平低电平高电平高电平高阻读高电平低电平高电平低电平数据输出写低电平低电平高电平高电平数据输入写低电平低电平高电平低电平数据输入第8章外部系统的扩展

3．外部数据存储器的串行扩展方法（1）利用74LS164和74LS165串行扩展1MB数据存储器

（2）读/写原理

电路中利用单片机的可编程串行口来扩展大容量的数据存储器。设置串行口工作于方式0，P3.0（RXD）作数据的接收/发送，P3.1（TXD）发送同步时钟信号。再利用单片机的几位口线作为控制信号：P1.5作为628128的片选控制信号，P1.6控制0#~3#的串行移位输入，当P1.6=0时，反相为高，0#~2#串行移位输入20位存储器的地址，3#不工作，当P1.6=1时，3#串行移位输入8位数据，0#~2#不工作；P1.7作为74LS165串行输出/并行输入的控制，同时也控制628128的读/写操作。当P1.7=1时，反相为低，628128可以打入20位地址或向选中单元写入8位数据，当P1.7=0时，反相为高，读有效允许74LS165并行置入8位数据，然后撤销628128的片选，P1.7置1，允许74LS165串行移位输出数据。

（3）读/写程序设计写入程序：若向片外RAM3000H开始的单元写入40H~90H的80个字节的数据，其程序见主教材P237第8章外部系统的扩展

1．AT24CXX外部封装及引脚功能

8.4串行E2PROM的扩展8.4.1二线制I2CE2PROMAT24CXX系列的扩展（1）A0、A1、A2：片选或页面选择地址输入。

（2）GND：地线。（3）SDA：串行数据（/地址）I/O端，用于串行数据的输入/输出。

（4）SCL：串行时钟输入端，用于输入/输出数据的同步。

（5）WP：写保护，用于硬件数据的保护。

WP引脚状态被保护的存储单元部分AT24C01(A)AT24C02AT24C04AT24C08AT24C16接VCC1KB全部阵列2KB全部阵列4KB全部阵列正常读/写操作上半部8KB阵列接地正常读/写操作

WP端的保护范围

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2．AT24CXX内部结构

3．功能描述

AT24C01(A)/02/04/08/16支持I2C双向二线制串行总线数据传输协议。将数据传送到总线的器件称为发送器，接收数据的器件称为接收器。一般微处理器/微控制器称为主器件，它产生串行时钟和起始停止信号；E2PROM工作在从机方式，称为从器件。4．从器件的寻址

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5．时序分析（1）SCL和SDA的时钟关系

（2）启动和停止信号

（3）应答信号

6．读/写操作

AT24CXX立即地址读

AT24CXX顺序读

AT24CXX随机读

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AT24C01(A)/02/04/08/16字节写

AT24C01(A)/02/04/08/16页面写

7．用I2CE2PROM芯片扩展片外程序存储器【例8-1】用AT24C04扩展外围程序存储器，并将以0800H单元开始的连续10个数据写入到E2PROM的01H为首地址的单元中。解：AT24C04是位容量为4K位，其字节容量为512字节的E2PROM芯片。与P8XC591单片机的连接如图8-40所示。R1、R2为上拉电阻。其程序见主教材P243~P244

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2．AT25010/020/040内部结构8.4.2三线制SPIE2PROMAT25010/020/040系列的扩展（1）/CS：片选，低电平有效。（2）SO：串行数据输出，在读操作时与时钟输入信号同步输出数据。（3）：写保护，用于硬件数据的保护，低电平有效。（4）GND：地线（5）SI：串行数据输入，锁定与时钟输入信号同步的数据。（6）SCK：串行数据时钟输入信号，用于微处理器与串行E2PROM之间通信的同步信号。（7）：暂停串行输入，低电平有效。（8）VCC:电源电压。

1．AT25010/20/40外部封装及引脚功能第8章外部系统的扩展

AT25010/20/40