《微计算机与微处理器》第9章 单片机系统总线及扩展

1、单片机的系统扩展,电子实验中心 赵 建 课件密码：stud Email:,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,总 线 简 介,总线的概念： 所谓总线，就是连接系统中主机和各扩展部件的公共信号线。 各个外围功能芯片通过三组总线与单片机相连，达到系统扩展的目的，这三组总线是数据总线、地址总线和控制总线。 根据总线的结构，可按照需要对单片机系统进行相应的扩展设计了。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,总 线 结 构,成于大气 信达天下,Chengdu

2、University of Information Technology,三 总 线 介 绍,数据总线（DB：Data Bus） 数据总线用于外围芯片和单片机之间传送数据，它是双向的，可以由单片机往外围芯片传送数据，也可以从外围芯片传送数据到单片机，还包括从外部程序存储器读取指令。51单片机的数据传递是用8根线同时进行的，即它的数据总线宽度是8位的，数据总线由P0口提供。 地址总线（AB：Address Bus） 51单片机共有16根地址信号线，即它的地址总线宽度是16位的，地址总线由P0口提供低8位A0-A7（必须外加锁存器），P2口提供高8位A8-A15，可操作的单元为216，共64K空间

3、。 控制总线（CB：Control Bus） 除了数据总线和地址总线外，单片机同外围芯片传送数据时，还需要一些控制信号来保证数据传送并决定如何进行数据传送，如数据传送的方向，将P0口的数据和地址分离等，这些信号线就是控制总线。对于某一根信号而言是单向的，对于所有的控制总线而言是双向的。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,总 线 扩 展,所有的总线扩展片外资源，除ROM以外，都当成RAM处理。ROM和RAM的地址可以重叠而不会相互影响。因为访问这两部分所用的指令是不同的。 MOVX 用于访问外部RAM空间； MOVC 用

4、于访问ROM空间（片内片外都使用该指令）,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,总 线 扩 展 电 路 图,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,锁 存 器 简 介,常用的锁存芯片是74HCT573。 74HCT573是带三态门的8D锁存器，OE端为三态控制信号，应接地允许锁存的地址信号输出。LE端为锁存控制信号，高电平有效，即在LE为高电平时锁存器的输出状态Q0-Q7和输入状态D0-D7相同，当LE为低时，输出保持不变，与输入状态无关。,成于大气 信

5、达天下,Chengdu University of Information Technology,锁 存 器 简 介（二）,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,驱 动 器 件 介 绍,LS器件和HC器件的区别,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,总 线 扩 展 方 法（一）,在总线扩展中，P0口既作数据总线使用，又作地址总线的低8位使用，是在不同的时间表示数据和地址，这是芯片管脚的复用方法，扩展时要把P0口的数据信号和地址信号分离开来，分离的方法是

6、利用ALE信号进行地址锁存。,P0口的地址和数据复用图,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,总 线 扩 展 方 法（二）,在总线扩展中，除了正确连接数据总线和地址总线外，还需要注意控制总线的连接方法。RD与WR用于控制数据传送的方向，均为低电平有效，RD有效时表示单片机从外围器件读取数据；WR有效时表示单片机向外围器件写入数据。PSEN用于读取外部程序存储器，同样是低电平有效。EA用于选择单片机的程序存储器空间，当EA为高电平时，系统复位后PC指针指向片内0000H地址空间；当EA为低电平时，系统复位后PC指针指向片外0

7、000H地址空间。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,程 序 存 储 器 的 扩 展（一）,由于半导体技术的发展，单片机片内的程序存储器通常已经够用，扩展的情况比较少见了。即使扩展，只选择一片存储器芯片也可满足要求，一般选择Flash ROM扩展程序存储器。因为其使用方便、价格适宜，存储量大，已经得到广泛的应用，也常用于MCS-51单片机的程序存储器扩展。 其常用芯片为AT29010，容量为128K8。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,程 序

8、 存 储 器 的 扩 展（二）,使用一片AT29C010A的扩展电路,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,程 序 存 储 器 的 扩 展（三）,单片机读取扩展程序存储器指令,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,程 序 存 储 器 的 扩 展（四）,扩展程序存储器AT29C010A的读时序,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 据 存 储 器 的 扩 展（一）,MCS-51系

9、列单片机内部的数据存储器容量为128或256个字节，在通常的简单控制系统中还是足够的，如果需要扩展，外部的最大容量为64KB。前面已经提到其它功能芯片在三总线的扩展方式中，也采用数据存储器的操作方式，需要占用地址，因此在有其它功能芯片的扩展系统中，数据存储器的扩展容量就不足64KB了。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 据 存 储 器 的 扩 展（二）,数据存储器的一般连接方法,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 据 存 储 器 的 扩

10、展（三）,1. 地址总线的连接 存储器地址总线的高8位A8-A15直接与单片机P2口对应信号相连，低8位A0-A7与P0口锁存后的信号相连。 2. 数据总线的连接 存储器的8位数据信号线直接与P0口对应相连。 3. 控制总线的连接 RD是单片机读取片外数据存储器的控制信号，与存储器的读控制信号RD连接。单片机的 信号连接数据存储器的WR信号。ALE控制锁存器分离地址和数据信号，EA信号根据程序存储器的使用连接。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 据 存 储 器 的 扩 展（四）,单片机读取扩展数据存储器的时序,成于

11、大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 据 存 储 器 的 扩 展（五）,单片机写数据到扩展数据存储器的时序,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,扩 展 数 据 存 储 器 地 址 计 算,扩展数据存储器的地址计算是指当电路完成后，根据电路计算对应的数据存储器的地址。当系统中有多个扩展器件时，通常选用线选法、译码法等方法实现CPU对不同器件的选择，并进行数据传输的。当输出一地址时，只选择其中一个芯片处于工作状态，其他芯片不工作，这样在数据传输时就不会造

12、成数据传输错误的问题了，选择芯片通常是采用片选信号来进行操作的。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,扩展数据存储器地址计算举例,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,扩展数据存储器地址计算举例,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,扩展数据存储器地址计算举例,地址计算实际上就是当给出一个地址时，根据地址线上电平的情况，只选通该器件，而此地址对于其他器件是无效的，也就是只使被选中

13、的器件使能端口有效，而其他器件在该地址下，使能端无效。通常把这个地址叫做这个器件的器件地址。在系统扩展时，因为操作方式的关系，即使扩展的器件不是RAM，但是操作时都是使用MOVX指令，因此可以把外围的这些器件都当成一个RAM使用，比如A/D、D/A和其他一些接在总线上的数字芯片。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,扩展数据存储器地址计算举例,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,微处理器数据传送方式,单片机和外设工作速度的差异使其在交换数据或通信时

14、，有不同的数据传送方式，以达到高效、方便的数据交换。通常有以下几种方式： 1、无条件传送方式 2、查询传送方式 3、中断传送方式 4、直接存储器存取方式（DMA）,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I/0 的 总 线 扩 展 方 式,51单片机有四个I/O端口，通常能满足使用要求，但在使用三总线方法扩展的系统中，就只有一个P1口了，如果不够的话，可扩展I/O端口。一般采用下面两种扩展方法： 1、用74LS系列TTL芯片扩展简单的I/O口； 常用的典型芯片为74LS244和74LS245，74LS373和74LS573。

15、 2、用可编程接口芯片扩展I/O口。 常用的典型芯片为8255A。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I/0 的 总 线 扩 展 方 式,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I/0 的 扩 展（四）,如果端口数量较多，可以使用专门的I/O扩展芯片进行I/O口的扩展。 8255A是INTEL公司生产的通用可编程并行I/O接口芯片，共有3个并行接口，均可以使用软件编程来设置其工作方式，因此使用比较方便和灵活。,成于大气 信达天下,Chengdu Un

16、iversity of Information Technology,8255A 结 构 图,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,8255A 端 口 组 合 功 能 表,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,8255A 方 式 控 制 字,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,8255A 连 接 图 举 例 分 析,成于大气 信达天下,Chengdu University of

17、Information Technology,I/0 的 非 总 线 扩 展 方 式,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数模和模数转换接口介绍,MCS-51单片机常用于工业控制和智能仪表中，对外部状态信息进行测量，经过内部处理后控制外部的操作，而外部的状态信息通常是模拟量，如温度、速度、电压等，需要转换为数字信号提供给单片机进行处理，处理的结果又需要转换为模拟量实现对外部状态的控制。因此，在单片机的应用系统中通常需要模数转换（ADC）和数模转换（DAC）的功能，不具有此功能的单片机，就需要进行A/D和D/A的扩展。,成

18、于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 模 转 换 器 介 绍,数模转换器常称D/A，主要技术指标有： 1、分辨率； 2、转换时间； 3、满量程误差； 4、参考电压； 5、电源电压等。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 模 转 换 器 举 例,DAC0832，主要参数为： 1、分辨率为8位； 2、转换时间为1us； 3、满量程误差为1LSB； 4、参考电压为（+10V -10V）； 5、电源电压为（+5V +15V）。,成于大气 信达天下,Ch

19、engdu University of Information Technology,数 模 转 换 器 举 例,DAC0832内部结构图,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,数 模 转 换 器 举 例,DAC0832，主要工作方式有以下三种： 1、直通方式 电路简单，不需要控制线，只有数据信号，ILE管脚接高电平，CS、WR1、WR2、XFER都接低电平即可。 2、单缓冲方式 把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，即为单缓冲方式。 3、双缓冲方式 一般用于多个D/A同时转换输出的方式。,成于大气 信

20、达天下,Chengdu University of Information Technology,数 模 转 换 器 举 例,实际电路,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,模 数 转 换 器 介 绍,模数转换器常称A/D，主要技术指标有： 1、输入通道个数； 2、转换位数； 3、转换时间； 4、电源电压等。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,模 数 转 换 器 举 例,ADC0804，主要参数为： 1、输入通道为单通道； 2、转换时间为100us

21、； 3、满量程误差为1LSB； 4、转换位数为8位； 5、电源电压为（+5V）。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,模 数 转 换 器 举 例,ADC0804连接电路图,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,常 用 接 口 电 路 解 析,RS232接口电路图,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I2C 总 线 介 绍,I2C总线是由PHILIPS公司开发的一种简单、双向二进

22、制同步串行总线，它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。 优点：器件引脚少，体积小，不需要片选线，支持带电拔插。 常用的I2C总线外围通用器件有：SRAM、EEPROM、ADC/DAC、RTC、I/O接口、DTMF等。目前，I2C技术已经在各种单片机系统特别是家电中得到广泛应用。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I2C 总 线 介 绍,I2C总线的特点： 1、总线只有两根线，即串行时钟线和串行数据线。 2、每个连接到总线上的器件地址由芯片内部硬件电路和外部地址同时决定。 3、它是一个真正的多主总线，带有竞

23、争监测和仲裁电路。 4、同步时钟允许器件以不同的波特率进行通信，在标准I2C模式下数据传送率可达100KB/S，高速模式下可达400KB/S。 5、同步时钟和数据线配合使用。 6、连接到同一总线上的集成电路数受400pF的最大总线电容的限制。总线上扩展外围器件时也受器件地址限制。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I2C 总 线 介 绍,I2C总线上每个节点都有一个固定的节点地址，从器件的地址包括器件编号地址和引脚地址，器件编号地址由I2C总线委员会分配，引脚地址决定于引脚外接电平的高低， I2C总线上所有的外围器件都

24、有规范的器件地址，器件地址由7位组成，它和1位方向位构成了I2C总线器件的寻址字节SLA，格式如下：,器件地址,引脚地址,数据方向位,成于大气 信达天下,Chengdu University of Information Technology,I2C 总 线 的 时 序,I2C总线为同步传输总线，总线信号完全与时钟同步。 起始信号（S）：在时钟SCL为高电平时，数据线SDA出现下降沿，启动I2C总线。 终止信号（P）：在时钟SCL为高点评时，数据线SDA出现上升沿，停止I2C总线的数据传输。 应答信号（A）： I2C总线上第9个时钟脉冲对应于应答位。相应数据线上低电平时为“应答”信号A，高电平时为“非应答”信号A。 I2C总线上传送的每一个字节帧均为8位，并且高位在前。,成于大气 信达天下,Chengdu University of Info