第9章单片机系统扩展及接口

1、第9章 单片机系统扩展及接口技术,1、扩展三总线 2、扩展程序存储器 3、扩展数据存储器 4、简单并行I/O口的扩展 5、扩展8155可编程外围并行接口芯片 6、扩展8255可编程外围并行接口芯片 7、用串行口扩展并行I/O口,9.1 系统扩展、接口概述,1、系统扩展 MCS-51单片机虽然各功能部件齐全，但容量较小，如：片内ROM、RAM、I/O口，不够用时需要扩展，扩展三总线、ROM、RAM、I/O口。 2 、系统接口 单片机与外设连接因速度不匹配、信号类型不同（脉冲、模拟）、传输方式不同（串、并），需要有接口电路实现电路连接和逻辑联接。 接口是计算机与外设信息交换的桥梁。 3、接口电路应

2、具备的功能 （1） 输入有缓冲、输出有锁存； （2）有应答联络信号； （3）有片选、控制信号； （4）有编程选择工作方式功能。,9.1 系统扩展、接口概述,4、单片机系统的扩展与接口原理结构（如下图）,9.1 扩展三总线的产生,一、三总线 地址、数据、控制总线 二、三总线的扩展 用74LS373作为地址锁存器，使数据和地址信号分开。 74LS373是三态8D触发器。,9.1 扩展三总线的产生,地址总线扩展电路及地址锁存器74LS373,9.2 扩展程序存储器,存储器采用半导体电路，与单片机具有相同的电路形式和电平，工作速度和CPU基本匹配，因而单片机与存储器之间的连接比较简单。8031片内无程

3、序存储器，需要扩展ROM；8051/8751片内有4kB ROM/EPROM，不够用时也需要扩展。 一、访问程序存储器的控制信号 ALE-地址锁存信号 PSEN-片外程序存储器读信号 EA-片内、外程序存储器访问选择信号 二、操作时序,9.2 扩展程序存储器,1、不执行“MOVX”指令时的时序,9.2 扩展程序存储器,12. 2. 1 扩展8KB/16KB EPROM 一、常用的程序存储器芯片 EPROM-紫外线擦除的可编程只读存储器常用的芯片有：2764 （8KB，13位地址线）、27128（16KB,14位地址）、27256（32KB）、27512（64KB）,9.2 扩展程序存储器,9.

4、2 扩展程序存储器,二、扩展8KB/16KB EPROM 注意：控制信号：ALE、/PSEN; 片选信号：/CE; 地址信号：A0A12; 数据信号线：O0O7.,9.2 扩展程序存储器,对于扩展的8KB的2764的地址范围为（13位地址线）： P2.7 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 P0.1 P0.0 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 地址范围为：00001FFFH P2.6接片选信号CE，为0有效。 P2.7、P2.5

5、取0 对于扩展的16KB的27128的地址范围为（14位地址线）： P2.7 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 P0.1 P0.0 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 地址范围为：00003FFFH P2.6接片选信号CE，为0有效。 P2.7取0,9.2 扩展程序存储器,单片机扩展2716，2732，2764，27128等EPROM的方法类似，差别仅在于不同的芯片的存储容量的大小不同，因而使用高8位地址的P2端口线的根

6、数不同。 扩展2716(2KB) 需要A8A10 三条高位地址线； 扩展2732(4KB) 需要A8A11 四条高位地址线； 扩展2764(8KB) 需要A8A12 五条高位地址线； 扩展27128(16KB) 需要A8A13 六条高位地址线； 这是由于存储器其容量=2N，N为地址线的根数。,9.2 扩展程序存储器,一 地址线 低8位地址：由MCS-51 P0.0P0.7与74LS373端连接，ALE有效时74LS373锁存该低8位地址，并从Q0Q7输出，与EPROM芯片低8位地址A0A7相连； 高位位地址：视EPROM芯片容量大小。2764需5位，P2.0P2.4与2764的A8A12相连，

7、27128需6位，P2.0P2.5与27128的A8A13相连。 二 数据线：由MCS-51地址/数据复用总线P0.0P0.7直接与EPROM数据总线D0D7相连。 三 控制线 ALE: 与74LS373门控端G相连，专用于锁存低8位地址； 片选端：扩展一片EPROM，一般不用片选，EPROM片选端CE直接接地；多片扩展时，采用线译码、部分译码和全译码方式实现； 输出允许：EPROM的输出允许端OE与MCS-51的PSEN端相连； EA：有并且使用EPROM时，EA接Vcc，无内ROM或仅使用EPROM时，EA接地。,9.2 扩展程序存储器,片间地址译码一般有线译码、部分译码和全译码等方法。线

8、译码是直接将某高位地址线接某存储芯片片选端，该地址线信号为1时选中所选芯片，然后再由低位地址对该芯片进行片内寻址。线译码无需外加逻辑电路，线路简单，但不能充分利用系统的存储空间，可用于小型系统或芯片较少时。 全译码是除了地址总线中参与片内寻址的低位地址线外，其余所有高位地址线全部参与片间地址译码。全译码法不会产生地址码重叠的存储区域，对译码电路要求较高。 部分译码是线选法和全译码相结合的方法，即利用高位地址线译码产生片选信号时，有的地址线未参与译码。这些空闲地址线在需要时还可以对其他芯片进行线选。部分译码会产生地址码重叠的存储区域。,9.2 扩展程序存储器,9.2 扩展程序存储器,下图给出了用

9、4个27128芯片构成一个64K存储器系统的连接方法,9.2 扩展程序存储器,。,9.2 扩展程序存储器,9.2 扩展程序存储器,。,9.2 扩展程序存储器,电可擦除只读存储器E2PROM即可像EPROM那样长期非易失地保存信息，又可像RAM那样随时通电改写，在单一的+5V电压下写入的新数据即覆盖了旧数据。特别是近年来出现的FLASH E2PROM ,它们被广泛地用作单片机的程序存储器和数据存储器。 目前，常用的E2PROM有如下共同特点： 单+5V供电，电可擦除可改写； 使用次数为1万次，信息保存时间为10年； 读出时间为ns级，写入时间为ms级； 芯片引脚信号与相应的RAM和EPROM芯片

10、兼容。,9.2 扩展程序存储器,E2PROM的扩展方法 地址线、数据线仍按单片机一般扩展外ROM的方式连接； 片选线一般由单片机高位地址线控制； 将E2PROM用作外程序存储器时，单片机PSEN与E2PROM OE端相连。由单片机的PSEN控制E2PROM的读出(输出允许OE)； 将E2PROM当作外数据存储器时，因需要对E2PROM进行在线擦写，因此单片机的WR与E2PROM WE端相连，RD与OE相连，此时应使用MOVX指令，且应注意E2PROM的地址范围与外RAM不能重复重迭，否则出错。,9.2 扩展程序存储器,9.2 扩展程序存储器,注意：将E2PROM同时用作外ROM和外RAM 用作

11、外ROM时，执行MOVC指令，读选通由PSEN控制； 用作外RAM时，执行MOVX指令，读选通由RD控制，写选通由WR控制； 读E2PROM时，速度与EPROM相当，完全满足CPU要求； 写E2PROM时，速度很慢，因此，不能将E2PROM当作一般RAM使用，每写入一个(页)字节，要延时10ms以上，使用时应予以注意。,9.2 扩展程序存储器,例：如右图，将2864的1000H为首地址的16个数据读出取反后写入原存储单元。 编程： MOV R2,#10H MOV DPTR，#7000H LOOP:MOVX A，DPTR CPL A MOVX DPTR, A INC DPTR DJNZ R2,L

12、OOP SJMP $,9.3 扩展数据存储器,单片机片内数据存储器小，仅128B，往往需要扩展。数据存储器扩展与程序存储器扩展基本相同，只是数据存储器控制信号一般有输出允许信号OE和写控制信号WE，分别与单片机的读控制信号RD和写控制信号WR相连，其它信号线的连接与程序存储器完全相同。 12. 3. 1 常用的数据存储器芯片简介 常用的数据存储器芯片有RAM、E2PROM。 一、静态RAM（SRAM）芯片 常用的有：6116（2KB）、6264（8KB，13位地址线）、62256（32KB，15位地址线）等。,9.3 扩展数据存储器,常用的静态RAM芯片引脚如下图:,9.3 扩展数据存储器,二

13、、 E2PROM E2PROM-电擦除的可编程 只读存储器。 常用的E2PROM有2816（2KB）、 2817（2KB）、2864A（8KB）。 E2PROM的特点： 1、单5v电源擦写； 2、可重复写1万次，保留20年； 3、与相同容量的RAM和 EPROM在引脚上兼容； 4、速度：读200ns、写20ms左右。 E2PROM即可作为RAM使用， 也可作为ROM使用。,9.3 扩展数据存储器,9. 3. 2 访问片外RAM的操作时序 1、片外RAM读时序,9.3 扩展数据存储器,2、片外RAM写时序,9.3 扩展数据存储器,9. 3. 3 8051扩展2KB RAM 扩展方法： 数据线：P

14、0口接RAM的D0D7 地址线：P0口经地址锁存器后接RAM的A0A7、 P2口接RAM的A8A10 控制线：RD接RAM的OE、WR接RAM的WE 8051扩展2KB RAM电路如下页图所示。,9.3 扩展数据存储器,9.3 扩展数据存储器,对于扩展的2KB的6116 的地址范围为（11位地址线）： P2.7 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 P0.1 P0.0 1 1 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 P2.7、P2.6和P2.5接片选信

15、号CE，为110有效。 P2.4 、 P2.3取0或1 地址范围为4个重叠区域：0B000H0B7FFH 0B800H0BFFFH 0C000H0C7FFH 0C800H0CFFFH,9.3 扩展数据存储器,9. 3. 4 8031/8051扩展 EPROM 27256和RAM 62256,9.3 扩展数据存储器,上述所示MCS-51单片机扩展系统(扩展一片27256 和一片62256芯片作为片外数据存储器)，设变量放在27256芯片的31H单元，其值为00H05H之间，要求编写查表程序，查出变量的立方值，并放入片外62256的31H单元。 MAIN: MOV DPTR ,#1031H MOV

16、X A,DPTR ADD A,#06H MOVC A,A+PC MOV DPTR,#0031H MOVX DPTR,A SJMP $ TAB: DB 0000H,0001H,00008H,0019H,0040H,007CH,9.3 扩展数据存储器,某MCS-51单片机系统，拟扩展三片6116 SDRAM芯片作为数据存储器，并将第三片6116中0130单元开始的10个数据连续存放到第四片0130单元开始的10个存储单元内，试设计电路，并编写相应程序。,9.4 简单并行I/O口的扩展,MCS-51单片机的输入/输出接口是单片机与外围设备交换信息的桥梁。I/O扩展也属于系统扩展的一部分。 虽然MCS

17、-51本身具有I/O接口，但是已经被系统总线(P0口和P2口用作16位地址总线和8位数据总线)占用了一部分，真正用作I/O接口线已不多，只有P1口的8位线和P3口的某些位线可作为输入/输出线使用。鉴于MCS-51的I/O资源有限，在实际应用中不得不使用扩展的方法，以增加I/O口的数量，强化I/O的功能。,9.4 简单并行I/O口的扩展,I/O接口：指单片机与外设间的I/O接口芯片。 I/O端口：简称I/O口，常指I/O接口电路中带有端口地址的寄存器或缓冲器，单片机通过端口地址就可以对端口中信息进行读写。 一个外设通常需要一个I/O接口，但一个I/O接口可以有多个I/O端口，传送数据的称为数据口

18、，传送命令的称为命令口，传送状态的端口称为状态口。当然，并不是所有的外设都需要3种端口齐全的I/O接口。 I/O端口的编址实际上是给所有I/O接口的端口编址，以便CPU通过端口地址和外设交换信息。,9.4 简单并行I/O口的扩展,9. 4. 1 I/O接口的功能 常用的I/O端口编址有两种方式：一种是独立编址方式；另一种是统一编址方式。 独立编址方式：I/O地址空间和数据存储器空间分开进行编址。要求有专门针对这两种地址空间的各自的读写操作指令，硬件方面还要定义一些专用的控制信号引脚； 统一编址方式：I/O端口的寄存器与数据存储器单元同等对待 ，统一进行编址。优点是不需要专门的I/O指令； MC

19、S-51单片机使用的是统一编址方式，即I/O口外部数据存储器RAM是统一编址的，用户把外部64KB的数据存储器RAM空间的一部分作为扩展的I/O接口的地址空间，每一个接口芯片中的一个功能寄存器(端口)的地址就相当于一个RAM存储单元，CPU可以像访问外部存储器RAM那样访问I/O接口芯片，对其功能寄存器进行读、写操作。,9.4 简单并行I/O口的扩展,9. 4. 1 I/O接口的功能 为了实现和不同的外设的速度匹配，I/O接口必须根据不同外设选择恰当的I/O数据传送方式。常见的I/O数据传送的几种是： 无条件传送方式：类似于单片机和外部数据存储器之间的数据传送，比较简单。外设速度和单片机的速度

20、相比拟时，采用无条件传送方式； 查询方式：查询方式下，单片机需要I/O接口为外设提供状态和数据两个端口，单片机通过状态口查询外设“准备好”后就进行数据传送。优点是通用性好，硬件连线和查询程序简单，但效率不是很高； 中断传送方式：利用单片机本身的中断功能和I/O接口的中断功能来实现I/O数据的传送。采用中断方式可使单片机和外设并行工作。,9.4 简单并行I/O口的扩展,I/O接口的直接应用,从P1.0P1.3输入开关状态， 再经P1.4P1.7输出去驱动发光二极管，使发光二极管显示开关的状态。,9.4 简单并行I/O口的扩展,程序如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0030H

21、 MAIN: MOV P1,#0FFH ;熄灭发光二极管 MOV A,P1 ;读入开关状态 SWAP A ;A高低半字节交换 MOV P1,A ;开关状态输出 AJMP MAIN END,9.4 简单并行I/O口的扩展,常用的I/O扩展方法包括： 一、简单I/O口扩展：采用TTL或CMOS电路锁存器、三态门等作为扩展芯片(74LS244、74LS245、74LS273、74LS373、74LS377等)，通过P0口来实现扩展的一种方案。 简单的I/O口扩展主要包括： 缓冲器扩展输入口(三态门：74LS244、74LS245等) 锁存器扩展输出口(锁存器：74LS273、74LS373、74LS

22、377等) 二、专用可编程逻辑器件 不仅具有数据的输入或输出、具有选通端，而且还具有地址线和读写控制线的芯片，他们一般具有片内的状态字寄存器、命令字寄存器，允许通过软件编程来改变它的接口功能或状态。如Intel公司的8255、8155等。,顾名思义，锁存器就是把当前的状态锁存起来，使CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化，直到解除锁存。 缓冲器，分输入缓冲器和输出缓冲器两种，前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。,9.4 简单并行I/O口的扩展,9. 4. 2 简单I/O接口的扩展方法 常用74LS

23、244作输入接口芯片，起缓冲作用；用74LS273作输出接口芯片，起锁存作用。,9.4 简单并行I/O口的扩展,扩展的输入输出口地址均为： P2.7 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 P0.1 P0.0 0 除了P2.0以外均取1，则扩展的输入输出口地址写成 16进制数均为： FEFFH 上面电路的功能是：按下某键，对应的LED发光。 其程序为： MOV DPTR，#0FEFFH LP：MOVX A，DPTR MOVX DPTR，A SJMP LP,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,芯片是

24、一多功能的可编程外围接口芯片，内部资源有256B的RAM，2个8位的I/O端口(A口、B口)、1个6位的I/O口(C口)和1个14位的“减1”定时/计数器。8155有40个引脚，采用双列直插封装。 8155和单片机的接口非常简单，甚至不需要一般扩展连接中所需的8D锁存器。目前被广泛应用，它是单片机系统最理想的扩展芯片。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,9. 5. 1 8155的结构与引脚,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,1、地址/数据线AD0AD7:低8位地址线和数据线的共用总线，常和单片机的PO口相连，用于分时传送地址、数据信息； 2、I/O口总线(22条）：PA0P

25、A7、PB0PB7分别为A、B口线，用于和外设之间传递数据；PC0PC5为C端口线，即可与外设传送数据，也可以作为A、B口的控制联络线； 3、控制总线(8条) RESET:复位线，与单片机的复位端相连，复位后，8155的3个端口都为输入方式。 RD,WR：读/写线，控制8155的读、写操作。 ALE:地址锁存线：与单片机的ALE端相连，在ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址信息锁存到8155内总的地址锁存器中。因此，单片机与8155连接时，无需外接锁存器。 CE：片选线，低电平有效。 IO/M：RAM或I/O口的选择线。当0时，选中8155的256B RAM；当1时，选中8155片内3个I/

26、O端口及命令/状态寄存器和定时/计数器。 TIMERIN、TIMEOUT:定时/计数器的脉冲输入、输出线。输入脉冲对8155内部的14位定时/计数器减1；TIMEROUT为输出线，当计数器计满回0时，8155从该线输出脉冲或方波，方波形状由计数器的工作方式决定。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,一、作片外 RAM使用 CE=0、IO/M=0，8155只能作片外RAM使用，共256B。其寻址范围由高8位地址控制，低8位选择RAM的256个存储单元，这和前面讲到的片外RAM扩展时完全相同。当系统同时扩展片外RAM芯片时，要注意二者的统一编址。对这256B RAM的操作使用片外RAM的读

27、/写指令”MOVX”。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,二、作扩展I/O口使用 当 CE=0、 IO/M=1，此时对8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器进行操作。与I/O端口和计数器使用有关的内部寄存器共有6个，需要三位地址来区分。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,9. 5. 3 8155的寄存器（6个）,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,一、命令寄存器 地址：*000B 芯片8155 I/O口的工作方式是通过对8155的命令寄存器写入控制字来实现的。 命令寄存器只能写入不能读出，也即是说，控制字只能通过指令MOVX DPTR,A或MO

28、VX Ri,A写入命令寄存器。 8155控制字的格式如下图所示。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,二、状态寄存器 1、地址：*000B 2、格式及各位的意义,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,三、PA寄存器 是PA口引脚PA0PA7的映射 地址：*001B 四、PB寄存器 是PB口引脚PB0PB7的映射 地址：*010B 五、PC寄存器 是PC口引脚PC0PC7的映射 地址：*011B,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,六、定时器/计数器寄存器 是一14位计数器，对应有两个寄存器，最高两位设定输出波形。 1、地址：两个

29、寄存器的地址分别为：*100B 2、寄存器格式 *101B,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,M2M1的意义（决定输出波形）：,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,9. 5. 4 8155芯片的使用 一、作片外256B RAM用 低8位地址范围为：00HFFH 二、作扩展I/O口用 PA口、PB 口、PC 口 注意：工作方式、地址 三、作定时器扩展用 一般先写计数常数，再写命令字。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,9. 5. 5 MCS-51与8155的接口及简单编程 一、MCS-51与8155的连接方法,8155的具体地址 8155提供的RAM和I/O地址,9.

30、5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,P2.7=0 P2.0=0,7E00H7EFFH,7F00H,7F01H,7F02H,7F04H,7F05H,7F03H,P2.1P2.6均取1,P2.7=0 P2.0=1,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,二、8155的基本操作程序段 1、对8155中的RAM进行操作 例1 （1）向8155RAM中的5FH单元写入数据32H； （2）从8155RAM中的98H单元读取数据。 程序段： （1）写数据： MOV DPTR，#7E5FH MOV A，#32H MOVX DPTR，A （2） 读数据： MOV DPTR，#7E98H MOVX A ，

31、DPTR,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,2、对8155中的I/O接口进行操作 基本I/O方式:无联络线或联络线由程序指定 选通I/O方式：分为选通输入方式和选通输出方式。由PC口的低三位作联络线使用，其余位作I/O口线；各个联络线为： INTR:中断请求输出标志。输出引脚，与MCS-51的中断 引脚信号相连。 IBF：输出引脚，缓冲器满信号 STB：输入引脚，数据选通输入信号,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,基 本 I/O 方 式,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,选 通 输 入 方 式,选 通 输 入 时 序,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,选

32、 通 输 出 方 式,选 通 输 出 时 序,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,例 如下图是MCS-51单片机扩展8155与打印机接口的电路。 状态信号BUSY=1时，打印机工作忙，打印机的数据输入采用选通控制，当STB引脚出现负跳变时数据被打入到打印机，要求编写从片内20H开始向打印机输出10个数据的程序。,9.5 扩展8155可编程外围并行接口芯片,例 如下图是MCS-51单片机扩展8155与打印机接口的电路。 状态信号BUSY=1时，打印机工作忙，打印机的数据输入采用选通控制，当STB引脚出现负跳变时数据被打入到打印机，要求编写从内部RAM 20H向打印机输出10个数据的程序。 MOV DPTR,#8000H MOV A,R1 MOV A,#05H MOVX DPTR,A MOVX DPTR,A INC R1 MOV R1,#20H MOV DPTR,#8003H MOV R2,#10 MOV A,#00H L1: MOV DPTR,#8002H MO