第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)

1、第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)第七章第七章 單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 7-1 7-1 程序存儲器的擴展程序存儲器的擴展 7-2 7-2 數(shù)據(jù)存儲器的護展數(shù)據(jù)存儲器的護展 7-3 MCS-517-3 MCS-51并行并行I/OI/O口的簡單擴展口的簡單擴展 7-4 7-4 可編程接口電路的擴展可編程接口電路的擴展 第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)前前 言言 單片機特點之一是在芯片內(nèi)留有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，但容量有限。MCS-51系列的CPU芯片內(nèi)部只有很少字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器；程序存儲器的數(shù)量很少，有的芯片中沒有，不能滿足實際控制的需要，在系統(tǒng)控制中必須擴展外部存儲器。 外部存儲器的擴展

2、包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，這兩種擴展的實質(zhì)都是根據(jù)單片機的結(jié)構(gòu)特點和尋址能力，把不超過64KB的RAM和ROM存儲器芯片按照一定規(guī)律連接到單片機的外部電路上去，作為單片機的片外存儲器。 第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 單片機外接程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可以采用兩種編址方法： 一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各自獨立編址，兩者最大編址空間均為64KB，但數(shù)據(jù)存儲器的地址空間有一部分要被單片機擴展的外部設(shè)備（I/0端口）所占用； 另一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器及其它擴展的I/O器件統(tǒng)一編址，其總地址空間為64KB。 單片機訪問外部存儲器時，必須同時選通芯片和選中存儲單元，才能占據(jù)不同存儲空間的字節(jié)信息進行訪

3、問。通常采用兩種方法獲得芯片選擇信號：線選法和通過譯碼器連接方法。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)1、線選法 線選法就是把8031的地址線直接或通過反相器連接到芯片的選通端（ ），以8031送出的地址信號選通芯片，通常用單片機的低位地址線接至存儲器芯片的地址輸入端，而用余下的高位地址線接片選端。 線選法的連接方法有多種：一線二用、一線一選和綜合線選方式。 在使用線選法時要注意以下的問題： 1）地址浮動： 即在擴展芯片時，當芯片的地址線沒有16位時，除片選信號線對電平信號有要求外，其余的地址線應(yīng)給于電平的固定，否則芯片的地址會發(fā)生變化（浮動），對存儲器的訪問會發(fā)生錯誤。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)2）地址的

4、重疊 當不同的芯片在連接時由于共用地址線，它們的地址空間會有相同的情況下，此時，就發(fā)生地址重疊，對存儲器的訪問同樣會發(fā)生錯誤。 為避免以上兩種情況，在外部擴展時應(yīng)注意： 1）片選信號的地址線及其有效電平必須是唯一的； 2）對未用的地址線，也不能輸出任意的電平信號。2、地址譯碼器連接 通過地址譯碼器，使用較少的地址信號編碼產(chǎn)生較多的譯碼信號，從而實現(xiàn)對多塊存儲器及I/O器件的選擇。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)7-1 7-1 程序存儲器的擴展程序存儲器的擴展 返回返回 圖7-1是8031擴展外部程序存儲器的電路圖，在通常情況下，擴展程序存儲器常用EPROM（光可擦除芯片）。在本例中選用的是2764。

5、單片機與外部存儲器芯片的連接方式采用三總線的連接。 一、數(shù)據(jù)線的連接(DB) 采用并連方式將各存儲器芯片的數(shù)據(jù)線連接到8031的P0端口。 二、地址線的連接(AB) 2764 地址信號來自單片機的P0口和P2口，低8位地址由P0口分時（地址/數(shù)據(jù)）送出。為了在訪問存儲器的整個周期內(nèi)地址信號保持不變，必須將P0口先輸出的低8位地址鎖存起來（由鎖存器74LS373來完成），在送數(shù)據(jù)信號時可以讓出P0口，并且可以和由P2口送出的高位地址一起實現(xiàn)對存儲器內(nèi)部存儲器單元進行訪問。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) P0口和P2口一起，最大能提供16位地址編碼。存儲器實際的地址線的數(shù)目由存儲器芯片容量決定。由圖27

6、64所需地址線為13根，剩余的地址線可作為片選控制線使用中，如P2.5，一起組成2764的地址編號。圖中2764的地址代號為0000H-3FFFH。（注意：本圖中只有一塊芯片擴展，沒有進行高位地址線的處理，在實際系統(tǒng)中應(yīng)注意與其它I/O設(shè)備及擴展芯片的地址處理）。三、控制信號的連接(CB) 存儲器的控制信號線可以連接到8031相應(yīng)的控制信號輸出線上，如圖中的ALE、 等，在程序存儲器擴展時，特別注意芯片的 與 的連接。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)擴展的聯(lián)接過程如下圖所示:圖7-1程序存儲器的擴展第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 7-2 7-2 數(shù)據(jù)存儲器的護展數(shù)據(jù)存儲器的護展 返回返回 圖7-2是8031

7、擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的電路圖，在通常情況下，擴展數(shù)據(jù)存儲器常用RAM芯片。在本例中選用的是6116。 和程序存儲器一樣，連接方式同樣采用三總線的連接。 一、數(shù)據(jù)線的連接（DB） 采用并連方式將各存儲器芯片的數(shù)據(jù)線連接到8031的P0端口。 二、地址線的連接（AB） 6116 地址信號來自單片機的P0口和P2口，低8位地址由P0口分時（地址/數(shù)據(jù)）送出，此時的片線信號為P2.3，一起組成6116的地址編號。圖中6116的地址代號為0000H-0FFFH。（注意：本圖中只有一塊芯片擴展，沒有進行高位地址線的處理，在實際系統(tǒng)中應(yīng)注意與其它I/O設(shè)備及擴展芯片的地址處理）。 三、控制信號的連接（CB)

8、存儲器的控制信號線可以連接到8031相應(yīng)的控制信號輸出線上，如圖中的ALE等，在數(shù)據(jù)存儲器擴展時，特點注意芯片的 、 與 的連接。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 具體的聯(lián)接圖如圖7-2所示：圖7-2 數(shù)據(jù)存儲器擴展圖第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 7-3 MCS-517-3 MCS-51并行并行I/OI/O口的簡單擴展口的簡單擴展 返回返回 MCSMCS-51系列單片機有4個8位I/O口，共32根I/O線，但并不是所有的I/O線都可以供用戶使用，因為P0、P2、P3口均有第二功能，在使用時不能僅作為I/O傳輸口。除非且用8051/8751單片機且不作外部擴展。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用8031芯片，此時I/

9、O擴展技術(shù)成為系統(tǒng)控制能否實現(xiàn)的決定因素。 對于8031的I/O口注意其本身的特性（見第二章）。 I/O擴展方法和單片機的I/O擴展性能有關(guān)。擴展的I/O口的尋址方法與擴展的數(shù)據(jù)存儲的尋址方式相同，即編址時與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，即CPU視每個I/O口為外部數(shù)據(jù)存儲器中的一個單元，只能用MOVX指令訪問I/O口，I/O口的讀/寫操作分別受 信號控制。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 應(yīng)用系統(tǒng)擴展時常常需要有各種類型的簡單I/O口，此時可能過TTL芯片來擴展單元的簡單的I/O口，數(shù)據(jù)的輸入、輸出須由單片機的讀、寫信號控制，I/O口只能分時使用P0口。如果是輸入口，則應(yīng)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的特點選擇相應(yīng)的芯片（要求

10、接口電路具有三態(tài)緩沖或鎖存選通功能）；如作輸出口，則要求接口電路具有鎖存功能。 一、用三態(tài)口擴展8位并行輸入口 當傳送的數(shù)據(jù)的保持時間較長時，可用三態(tài)門擴展8們并行輸入口。圖7-3是用74LS244芯片通過P0口擴展的8位并行輸入接口。74LS244是8位三態(tài)緩沖器，當 、 端為低平時輸出與輸入相同；當其為高電平時輸出呈高阻態(tài)。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 由圖可知，當P2.7和 同時為低電平時74LS244才將由輸入設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)送8031的P0口.其中P2.7決定了74LS244的地址.它的地址=0B,可取7FFFH,該接口的輸入操作程序如下:MOV DPTR, #7FFFH ;指向74LS2

11、44端口MOVX A, DPTR ;輸入數(shù)據(jù) 第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)二、用鎖存器擴展8位并行I/O口1、擴展輸入口 當傳送的數(shù)據(jù)的保持時間較短時，不宜采用上述方法而應(yīng)采用鎖存器擴展8位并行輸入口。圖7-4是利用74LS373芯片通過P0口擴展8位并行輸入接口。74LS373芯片的功能見表7-1，利用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。過程如下：第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 表7-1 74LS3732、擴展輸出口 當通過P0口擴展輸出口時，要求接口電路具有鎖存功能。為增加抗干擾能力，可采用帶允許控制端的8D鎖存器。圖7-5是用74LS377通過P0口擴展的8位并行輸出接口，該芯片的功能見表7-2。由于74LS3

12、77的G端與P2.6相連,故地址為0BFFFH。用8031單片機的寫脈沖信號作為該芯片的時鐘，其輸出操作程序如下： MOV A， #DATA ；輸出數(shù)據(jù)送A MOV DPTR，#0BFFFH ；DPTR指向74LS377 MOVX DPTR，A ；P0口經(jīng)74LS377輸出數(shù)據(jù)出控制使能G輸入數(shù)據(jù)D輸出數(shù)據(jù)QLHHHLHLLLL Q0H Z第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)表7-2 74LS377功能表注：*表示上升沿， 為任意狀態(tài)， Q0為建立穩(wěn)態(tài)輸入條件前的Q的電平，Z為高阻態(tài) 輸 入輸出CKDQH Q0L*HHL*LL L Q0第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)其電路聯(lián)接如圖7-5所示：第七章單片機系統(tǒng)擴展

13、技術(shù) 7-4 7-4 可編程接口電路的擴展可編程接口電路的擴展 返回返回 當單片機應(yīng)用系統(tǒng)中需要較為復(fù)雜的I/O口時不能采用7-3所介紹的方法擴展I/O口，通常采用可編程I/O接口芯片擴展I/O口。下面介紹兩種常用標準可編程I/O接口及芯片擴展I/O口的方法。一、可編程并行接口8255A1、8255A的基本性能 可編程外設(shè)接口電路（Programmable Peripheral Interface)簡稱PPI，型號為8255（改進型為8255A及8255A-5），具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。 8255A具有三個相互獨立的輸入/輸出通道： 通道A、通道B、通道C

14、。A，B，C三通道可以聯(lián)合使用，構(gòu)成單線、雙線或三線聯(lián)絡(luò)信號的并行接口,此時C口完全服務(wù)于A、B口。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)A口有三種工作方式：方式0、方式1、方式2。 B口有兩種工作方式：方式0、方式1。2、8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)由以下四部分組成： 數(shù)據(jù)端口A、B、C；A組控制和B組控制；讀/寫控制邏輯電路；數(shù)據(jù)總線緩沖器。結(jié)構(gòu)如圖7-6所示端口A：包括一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個 8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器，可作為數(shù)據(jù)輸入或輸出端口， 并工作于三種方式中的任何一種。 端口B： 包括一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個 8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器，可作為數(shù)據(jù)輸入或輸出端口

15、， 但不能工作于方式2。端口C： 包括一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個 8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器， 可在方式字控制下分為兩個4位的端口（C端口上和下），每個4位端口都有4位的鎖存器， 用來配合端口A與端口B鎖存輸出控制信號和輸入狀態(tài)信號，不能工作于方式1或2。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) A組和B組控制的作用如下： A組控制邏輯控制端口A及端口C的上半部；B組控制邏輯控制端口B及端口C的下半部。圖7-6 8255結(jié)構(gòu)圖第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)2 2、方式選擇控制字及工作方式、方式選擇控制字及工作方式 方式選擇控制字及各位的意義如圖7-7所示。1 1）方式）方式0 0是一種基本輸入或輸出方式，它

16、適用于無需握手信號的簡單輸入輸出應(yīng)用場合， 端口A、B、C都可作為輸入或輸出數(shù)據(jù)使用，輸出有鎖存而輸入無鎖存。2 2）方式）方式1 1 也稱選通的輸入/輸出方式。在這種方式下，無論是輸入還是輸出都通過應(yīng)答關(guān)系實現(xiàn)， 這時端口A或B用作數(shù)據(jù)口，端口C的一部分引腳用作握手信號線與中斷請求線。 若端口A工作于方式1,則B可工作于方式0； 若端口B工作于方式1,則A可工作于方式0或余下的13位可工作于方式0； 若端口A和B同時工作于方式1,端口C余下的兩位還可用于傳送數(shù)據(jù)或控制信號。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)3 3）方式）方式2 2 也稱選通的雙向I/O方式，僅適用于端口A， 這時A口的PA7-PA0作

17、為雙向的數(shù)據(jù)總線，端口C有5條引腳用作A的握手信號線和中斷請求線，而B口和C口余下的3位仍可工作于方式0或1。它可以認為是方式1輸出和輸入的組合但有以下不同： (1)當CPU將數(shù)據(jù)寫入A口時，盡管OBF變?yōu)橛行В珨?shù)據(jù)并不出現(xiàn)在PA7-PA0上，只有外設(shè)發(fā)出ACKA 信號時，數(shù)據(jù)才進入PA7-PA0。 (2)輸出和輸入引起的中斷請求信號都通過同一引腳輸出， CPU必須通過查詢OBF和IBF狀態(tài)才能確定是輸入引起的中斷請求還是輸出引起的中斷請求。 (3) ACKA 和STBA 信號信號不能同時有效， 否則將出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送“沖突”。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)控制方式字及格式：圖7-7 方式控制字及各位

18、的意義第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)3、 C端口置1置0控制字： 端口C的數(shù)位常常作為控制位來使用，所以，在設(shè)計8255A芯片時，應(yīng)使端口C中的各位可以用置1置0控制字來單獨設(shè)置。其具體格式如下圖所示。 注意：C端口置1置0控制字盡管是對端口C進行操作，但此控制字必須寫入控制口，而不是寫入C端口。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)4、MCS-51和8255A的接口方法 如圖所示為MCS-51和8255A的一種接口邏輯。PA口、PB口、PC口、控制口的地址分別為：7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)假設(shè)圖中8255A的PA口接一組開關(guān)，PB接一組指示燈，如果，要將MCS-51

19、的寄存器R2的內(nèi)容送指示燈顯示，將開關(guān)狀態(tài)讀入MCS-51的累加器A，則8255初始化和輸入/輸出程序如下：ORG 1000HR8255：MOV DPTR，#7FFFH；MOV A，#98HMOVX DPTR,AMOV DPTR,#7FFDHMOV A,R2MOV DPTR,AMOV DPTR,#7FFCHMOVX A,DPTRRET第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 二、可編程接口芯片8155 與8255A相比，8155具有更強的功能，可以擴展單片機的I/O口、定時器、外部數(shù)據(jù)存儲器RAM。1 1、81558155芯片的構(gòu)成芯片的構(gòu)成1）邏輯結(jié)構(gòu)2）引腳圖3）接口信號2 2、81558155的的RAM

20、RAM和和I/OI/O口地址口地址 RAMRAM地址-當IO/ M 加低電平： 此時AD0-AD7上得到的地址值是指8155的某一RAMRAM單元的地址，地址范圍是： 0000 0000-1111 1111分別指向8155 RAM 的256個存儲單元。 I/OI/O口地址口地址-當IO/ M 加高電平：此時AD0-AD7 （僅用到低三位AD2、AD1、AD0）上得到的地址值是指8155的某一I/O口的地址，具體端口地址分配是： 8155的RAM和I/O口編址第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)8155芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)256B256B靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM A A 定時器定時器B B C C 口APA0PA7口

21、BPB0PB7PC0PC5口CIO/ MAD0AD7CEALERDWRRESET定時器輸入定時器輸出接單片機接外設(shè)接外設(shè)接外設(shè)第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)8155引腳功能PC3PC4 PC5 IO/ MCERDWRALEAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssVccPC2PC1PC0PB7PB6PB5PB4PB3PB2PB1PB0PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA08155TIMER INRESETTIMER OUTAD0-AD7AD0-AD7三態(tài)地址三態(tài)地址/ /數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 IO/ M IO/ M端口端口/ /存儲存儲器選擇器選擇 RD RD讀讀ALEALE地址鎖存地

22、址鎖存允許允許寫寫 WR WR選片選片 CE CE定時器輸定時器輸入入TIMER INTIMER IN定時器輸定時器輸出出TIMER OUTTIMER OUTPA0-PA7PA0-PA7A A口端口線口端口線PB0-PB7PB0-PB7B B口端口線口端口線PC0-PC5PC0-PC5C C口端口線口端口線第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù) 地址編碼地址編碼內(nèi)部寄存器I/0口地址A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0命令/狀態(tài)寄存器X X X X X 0 0 0PA口寄存器X X X X X 0 0 1PB口寄存器X X X X X 0 1 0PC口寄存器X X X X X 0 1 1定時器低8

23、位寄存器X X X X X 1 0 0定時器高6位和2位定時器方式寄存器X X X X X 1 0 1第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)3 3、 81558155的使用的使用 1）8155內(nèi)RAM的使用： 與一般外部數(shù)據(jù)存儲器的使用基本一樣，唯一區(qū)別是事先要使IO/ M為低電平。 2）8155各端口的使用： A、B、C各端口可工作于不同的工作方式，使用前要進行初始化（寫命令字到命令口）4 4、擴展電路的連接實例、擴展電路的連接實例 利用8155 進行擴展時，方式常見的有如下3種，注意不同方法的連線方式也各有特征： 1）以高位地址直接作為IO/M信號擴展，接口電路非常簡單，基本上是相同信號對接，如圖7-8

24、所示； 2）多芯片擴展，如圖7-9所示； 3）綜合擴展，如圖7-10所示。 第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)1）直接擴展法圖7-8 8155擴展實例8031803181558155RESETRDWRALEP2.4P0.0P0.1P0.2P.03P0.4P0.5P0.6P0.7RESETRDWRALEIO/MCEAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7口APA0PA7口BPB0PB7PC0PC5口C第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)2）多芯片擴展圖7-9 多芯片擴展8031 373G27166116(2)6116(1)8155P0P2.2-P2.0PSENALEWRRDABCG2AG2BG1P1.0A0A

25、7A8A10D7D0D7D0D7D0CECECEOEA0A7A8A10WEWEOEOEWERDALEAD0AD7CEY2Y1Y0+5VIO/ MPAPBPCP2.3P2.4P2.5P2.6P2.7第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)上圖中的各擴展地址分別為： 81558155： 0000H0000H、0001H0001H、0005H0005H 8031的P2.7-P2.3=00000時，選中8155，在此前提下，當8031的P0口輸出地址是XXXXX000-XXXXX101，且IO/ M=1時，選中8155的各端口，即：P2.7 P2.0 P0.7 P0.0 P2.7 P2.0 P0.7 P0.0 端口端

26、口 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （0000H） 命令口 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 （0001H） PA口 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 （0002H） PB口 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 （0003H） PC口 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 （0004H）計數(shù)器低 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 （0005H）計數(shù)器高第七章單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)當IO/ M=0時，選中8155的RAM單元，所以：其內(nèi)部RAM地址范圍是：0000H-00FFH 。 6116（1）： 0800H-0FFFH0800H-0FFFH6116（2）： 1000H-17FFH1000H-17FFH分析： 根據(jù)74LS138，8031的P2.7-P2.3=00001時，選中6116（1），在此前提下，加上P2.2-P2.0，P0.7-P0.0低位地址，既有：611