M10第8章 单片机系统扩展

1、程序存储器的扩展,数据存储器的扩展,并行I/O口的扩展,第章单片机系统扩展,本章内容,Micro Control Unit,单片机最小系统,片外三总线,问题的提出,在单片机应用系统的设计中,往往出现RAM, ROM或者I/O口不够的情况，怎么办？,ROM的扩展,RAM的扩展,并行I/O口的扩展,8.1 单片机最小系统,一、8051最小系统,（1）充分利用了单片机的体积小、成本低的优点； （1）全部I/O端口均可供用户使用； （2）内部存储器容量有限； （3）电路简单可靠； （4）应用系统开发具有特殊性。,8051单片机最小系统的特点：,二、8031最小系统,8.2 片外三总线,总线是指连接系统

2、中各扩展部件的一组公共信号线。一般的微型计算机都具有三总线结构： （1）地址总线（AB） （2）数据总线（DB） （3）控制总线（CB）,MSC-51单片机的三总线结构,地址总线由单片机的P0口通过地址锁存器提供低8位地址A0A7，P2口提供高8位地址A8A15。 P0、P2口在系统扩展中用做地址总线后，就不能再作为一般I/O口使用。 由于地址总线宽度为16位，故可寻址范围为64 KB。,（1）地址总线（AB）,常用的地址锁存器有：带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373或8282、带清除端的8D锁存器74LS273。,地址锁存器,数据总线由P0口提供，用D0D7表示。P0口为三态双向口为三态

3、双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。所有单片微机与外部交换的数据、指令、信息，除少数可直接通过P1口外，全部通过P0口传送。 数据总线是并连到多个连接的外围芯片的数据线上，而在同一时间里只能够有一个是有效的数据传送通道。哪个芯片的数据通道有效，则由地址线控制各个芯片的片选线来选择。,（2）数据总线（DB）,控制总线是指单片机用于控制片外的ROM、RAM和I/O端口的一组控制线。主要有以下四种： ALE（地址锁存允许信号线）：用于锁存P0口输出的低8位地址的控制线。 PSEN（程序存储允许输出信号线）：用于片外程序存储器EPROM的读数（取指）控制。 RD、WR：用于片外数据存储器RAM的读

4、/写控制。 EA：用于选择片内或片外程序存储器。,（3）控制总线（DB）,8.3 程序存储器的扩展,片内资源,可用来扩展的存储器芯片： EPROM：2764（8K*8），27128，27256，27512等 E2PROM：2864 （8K*8） ，28128等 还要用到锁存器芯片：例74LS373。,8.3.1 常用的EPROM芯片,8.3.2 程序存储器的扩展原理和时序, ALE-低8位地址锁存控制信号。 PSEN-片外ROM的“读取”控制信号。 EA-片内、外ROM的访问控制信号。,一、MSC-51访问片外ROM的控制信号,二、读外部程序存储器时序,注意：上述时序是在取指令过程中自动产生,

5、一个机器周期,送地址,取出指令,8.3.3 单片EPROM扩展,下面我们以2764 EPROM芯片为例，说明MCS-51单片机程序存储器的扩展技术。这种单片EPROM扩展电路是最常见的程序存储器扩展方法。,一、8K EPROM扩展电路（2764）,D7 Q7 373 D0 Q0 G,2764的地址分布,扩展2764电路原理图,二、16K EPROM扩展电路（27128）,8.3.4 多片EPROM扩展,根据设计的需要，有时要扩展多片EPROM，涉及存储器的寻址技术。存储器寻址分两步： （1）存储器芯片的寻址。 （2）芯片内部存储单元的寻址。 芯片内部存储单元的选择方法很简单，只要把存储器芯片的

6、地址线和相应的系统地址线按位连接，称为“字选”。 但芯片的寻址方法有多种，存储器或I/O寻址主要是研究芯片的寻址问题，称为“片选”，常用的主要有两种：线选法和译码法。,一、线选法,. . .,D7 Q7 373 D0 Q0 G,控制线,CE A12 A8 A7 A0 2764 O7 O0 OE,P2.5 P2.4 P2.0 P0.7 8051 P0.0 ALE PSEN,线选法是利用单片机地址线中的最高几位空余线中一根作为某一片存储器芯片或I/O外设的片选信号（如P2.7接EPROM的片选端CE）。线选法一般用于应用系统中扩展芯片较少的场合。 线选法的特点是：连接简单，无须译码芯片。但地址空间

7、的利用率低，地址一般不连续（分散），也可能产生地址重叠（即地址不是唯一的）。因此，线选法一般用于简单的存储器扩展。,CE,两片2764怎么连呢？,可以这样吗？,加一反相器的两片线选法,译码法是用译码器对单片机的最高几位空余的地址线（如P2.7、P2.6等）进行译码，而译码器的输出作为“片选” 控制线。常用的译码器有3/8译码器74LS138、双2/4译码器74LS139、4/16译码器74LS154等。,二、译码法,74LS139真值表,译码器将地址空间划分为若干块，其输出作为存储器芯片的片选信号分别选通各芯片，译码法的特点是即充分利用了存储空间，又避免了空间分散的缺点。因此，译码法一般用于比

8、较复杂的存储器的扩展。,B,A,C,译码法扩展电路,8.4 数据存储器的扩展,8031片内RAM的容量：128B 片外最大可扩展64K RAM。,片内资源,8.4.1 常用的数据存储器芯片,随机存取存储器,随机存取存贮器可根据需要写入或读出数据。 随机存取存储器可以分为静态RAM、铁电存储器（FRAM）及动态RAM。,随机存取存储器,SRAM 用触发器存储信息 可随机读写 只要不断电,数据就能长期保存,随机存取存储器,SRAM 6264 8K X 8字节 存储器,随机存取存储器,静态 RAM用于存放数据或作为程序运行时工作单元，因此在使用时不仅需利用它的读出方式，还需用到它的写入方式 /CE信

9、号为片选信号 /OE为存储器读出控制信号 /WE为存储器写入控制信号,随机存取存储器,FRAM 信息在掉电后不会丢失 读写时序与SRAM相同,随机存取存储器,铁电存储器与静态RAM时序的差异是: FRAM的片选-CE信号具有双重作用，第一是锁存写入数据的地址，第二是在-CE为高电平时产生必要的内存预充电时间。因此在设计接口时，不能像静态RAM一样将-CE引脚接地。,随机存取存储器,对于大容量的存储器采用动态RAM较经济，其功耗小于同样容量的静态RAM，存取速度也较快。 但它需要刷新电路，每隔一定的间隔需对其刷新，使各个单元的信息得到保持。 和静态RAM不同的是，动态RAM除了读写操作外，还需定

10、时刷新。,只读存储器,E2PROM 能够重复编程 电檫除，在写入的同时檫除 写入包括了数据锁存与编程 编程时间10mS 可在系统中编程,E2PROM AT28C256 32K X 8字节 存储器,只读存储器,8.4.2 数据存储器扩展的原理和时序,举一反三RAM的扩展,6264 RAM的地址范围可与2764 ROM的相同 因为不同的指令访问将产生不同的控制信号 ROM：MOVC指令及取指令操作 有效， 、 无效 RAM：MOVX 无效， / 有效 MOVX A，DPTR; 读操作，产生 低电平信号 MOVX DPTR , A; 写操作，产生 低电平信号,读/写外部数据存储器时序,一个机器周期,

11、一个机器周期,RD/WR,注意：上述红色线时序是在执行MOVX 指令情况下,数据存储器空间地址同程序存储器扩展一样，除了由P0口提供低8位地址线之外，还需由P2口提供若干地址线。数据存储器所需的地址线决定于其容量的大小。当数据存储器为8KB（6264）时为13根，32KB时为15根（62256）。数据存储器的读和写由8051的RD（P3.7）和WR（P3.6）信号控制，而程序存储器则由读写选通信号PSEN控制。两者虽然共处同一地址空间，但由于控制信号不同，因此不会发生总线冲突。 下面我们介绍几种典型的数据存储器扩展电路。,8.4.3 典型的数据存储器扩展电路,（1）8051扩展2K RAM,D

12、7 Q7 373 D0 G Q0,6116地址：0000H07FFH,（2）8051扩展8K RAM,D7 Q7 373 D0 G Q0,6264地址：0000H1FFFH,（3）8031扩展多片EPROM和RAM,译码法扩展电路,（4）8031扩展8K E2PROM,8.5 并行I/O口的扩展,常用的扩展方法有： 简单的I/O口扩展 可编程I/O口芯片 利用串行口扩展并行口,51单片机有4组并口P0-P3，为什么还要扩展I/O口？,8.5.1 简单I/O口扩展,（1）I/O口的直接输入/输出 （2）用TTL电路或MOS电路扩展I/O口 如：用8位三态缓冲器74LS244可扩展输入口； 用8D

13、锁存器74LS273、74LS373、74LS377 等可组成输出口。,简单I/O扩展接口,因为74LS273和74LS244都是在P2.7为0时被选通,所以二者地址都可以为7FFFH。 两个芯片的地址虽然相同,但可以通过读写操作来区别 编程应用如下： TEST:MOV DPTR, #7FFFH ;指向口地址 MOVX A,DPTR ;指向244读入数据，检测按键 MOVX DPTR, A ;指向273输出数据，驱动LED SJMP TEST,口地址的确定及编程应用,8.5.2 可编程I/0芯片的使用,可编程I/O芯片是指芯片功能可由指令来确定，即需要对其编程。 常用的I/O口芯片有8155和

14、8255。,一、8155的结构,在8155内部具有： （1）256字节的静态RAM（存储器工作方式） （2）三个通用的输入/输出口（I/O工作方式） （3）一个14位可编程定时器/计数器（定时器工作方式） （4）地址锁存器和数据总线,8155的结构与引脚,二、8155的控制,1、8155的端口地址 8155在8051单片机应用系统中的I/O口、RAM是按外部数据存储器统一编址的。其高8位地址由CE和IO/M决定，低8位地址由8155的AD0AD7确定。8155内部有7个寄存器，需要三位地址来加以区分。,PB PA,（A/B口方式）：0输入，1输出,PC2 PC1,IEB IEA,（A/B口中断

15、）：0禁止中断，1允许中断,TM2 TM1,2、设置8155工作方式,3、8155状态字 8155的状态字由7位组成，最高位空出不用。状态寄存器是只读寄存器，其地址也为00H，格式如下。,三、8155与8051的连接,当IO/M=0时，8155用作片外数据存储器(256B)。,四、存储器工作方式,当IO/M=1时，8155作扩展I/O口使用。 8155的I/O工作方式又可分为基本I/O和选通I/O两种工作方式。 （1）基本I/O方式 （2）选通I/O方式,五、I/O工作方式,在该方式下，A、B、C三口均用作输入/输出。命令字中的D0和D1位选定A口和B口为输出或输入工作方式，而D3和D2选定C

16、口为输出或输入工作方式，ALT1（00）时PC为输入方式， ALT2（01）时PC为输出方式 。,（1）基本I/O方式,当PC口设为ALT3时，PA口为选通I/O方式、PB口仍为基本I/O方式。当PC口设为ALT4时，PA口、PB口都为选通I/O方式。 下面我们分别介绍选通I/O输入和选通I/O输出的工作原理。,（2）选通I/O方式,（a）选通I/O数据输入工作原理,（b）选通I/O数据输出工作原理,计数器低8位，该低位字节的I/O地址为04H,六、定时器工作方式,8155的定时器是一个14位的减1计数器，它只有一种工作方式，即14位计数。它由两个8位寄存器组成，其中低14位放计数器初值，另外

17、两位用于确定输出方式。其格式为：,输出方式 计数器高8位，该高位字节的I/O地址为05H,M2、M1位输出方式,（1）8155定时器是减1计数器，不论是定时还是计数，都是对外部输入的脉冲计数（TIMER IN引脚）。当计数器达到终点计数值时（溢出），可从8155定时器的输出端（TIMER OUT引脚）输出一个脉冲或方波。 （2）8155使用时，先将计数初值和输出方式装入定时器的两个寄存器。计数初值为2H3FFFH之间的任意数。控制计数器的启动和停止由命令寄存器的最高2位控制。 （3）可以对两个计数器进行读操作，把定时器/计数器的当前值和输出方式位读出。,8155定时器的使用,（4）任何时候都可以重新设置计数方式和