單片機原理及應用(C51版)第6章單片機的系統(tǒng)擴展

1、 第第6 6章章 單片機的系統(tǒng)擴展單片機的系統(tǒng)擴展 6.1 6.1 單片機系統(tǒng)擴展概述單片機系統(tǒng)擴展概述 6.2 6.2 程序存儲器的擴展程序存儲器的擴展 6.3 6.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展數(shù)據(jù)存儲器的擴展 6.4 I/O 6.4 I/O端口的擴展端口的擴展6.1 6.1 單片機系統(tǒng)擴展概述單片機系統(tǒng)擴展概述 當單片機最小應用系統(tǒng)不能滿足實際應用系統(tǒng)要求當單片機最小應用系統(tǒng)不能滿足實際應用系統(tǒng)要求時，需要在單片機外部連接相應的外圍芯片以滿足應用時，需要在單片機外部連接相應的外圍芯片以滿足應用系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)的要求。MCS-51MCS-51系列單片機具有很強的系統(tǒng)擴展能系列單片機具有很強的系統(tǒng)擴展

2、能力，可以擴展力，可以擴展64KB64KB的程序存儲器和的程序存儲器和64KB64KB的數(shù)據(jù)存儲器或的數(shù)據(jù)存儲器或輸入輸出口。輸入輸出口。 擴展的內(nèi)容主要有總線、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、擴展的內(nèi)容主要有總線、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/OI/O口擴展等。口擴展等。 在在5151單片機擴展系統(tǒng)中，往往既需要擴展程序存儲器，單片機擴展系統(tǒng)中，往往既需要擴展程序存儲器，又需要擴展數(shù)據(jù)存儲器，同時還需要擴展又需要擴展數(shù)據(jù)存儲器，同時還需要擴展I/OI/O接口，而且接口，而且往往需要同時擴展多片。外部擴展往往需要同時擴展多片。外部擴展I/OI/O口占用外部存儲器口占用外部存儲器地址空間，與外部存儲器統(tǒng)一

3、編址。地址空間，與外部存儲器統(tǒng)一編址。1. 1. 單片機擴展系統(tǒng)地址空間編址方法單片機擴展系統(tǒng)地址空間編址方法 所謂編址，就是使用系統(tǒng)提供的地址線，通過適當?shù)厮^編址，就是使用系統(tǒng)提供的地址線，通過適當?shù)剡B接，使外部存儲器的每一個單元，或擴展連接，使外部存儲器的每一個單元，或擴展I/OI/O接口的每一接口的每一個端口都對應一個地址。編址方法分為兩步：存儲器（個端口都對應一個地址。編址方法分為兩步：存儲器（I/OI/O接口）芯片編址和芯片內(nèi)部存儲單元編址。接口）芯片編址和芯片內(nèi)部存儲單元編址。 （1 1）線選法）線選法 所謂線選法就是所謂線選法就是MCS-51MCS-51單片機單片機P2P2口未

4、被擴展芯片地址口未被擴展芯片地址線占用的地址總線直接與外接芯片的片選端相連，只要某線占用的地址總線直接與外接芯片的片選端相連，只要某位地址總線為低電平，與該地址總線相連的外接芯片就被位地址總線為低電平，與該地址總線相連的外接芯片就被選中。選中。 線選法的特點是連接簡單，不必專門設計邏輯電路，線選法的特點是連接簡單，不必專門設計邏輯電路，但是各個擴展芯片占有的空間地址不連續(xù)，因而地址空間但是各個擴展芯片占有的空間地址不連續(xù)，因而地址空間利用率低。適用于擴展地址空間容量不太大的場合。利用率低。適用于擴展地址空間容量不太大的場合。 （2 2）譯碼法）譯碼法 譯碼法就是譯碼法就是MCS-51MCS-5

5、1單片機單片機P2P2口未被擴展芯片地址線占口未被擴展芯片地址線占用的地址總線首先經(jīng)譯碼器譯碼，譯碼輸出信號線再與外用的地址總線首先經(jīng)譯碼器譯碼，譯碼輸出信號線再與外接芯片的片選端相連，只要某位譯碼輸出信號為低電平，接芯片的片選端相連，只要某位譯碼輸出信號為低電平，與譯碼輸出信號相連的外接芯片就被選中。與譯碼輸出信號相連的外接芯片就被選中。 譯碼法的特點是在譯碼法的特點是在P2P2口未被擴展芯片地址線占用的地口未被擴展芯片地址線占用的地址總線數(shù)量相同的情況下，可以比線選法擴展更多的芯片，址總線數(shù)量相同的情況下，可以比線選法擴展更多的芯片，而且可以使各個擴展芯片占有的空間地址連續(xù)，因而適用而且可

6、以使各個擴展芯片占有的空間地址連續(xù)，因而適用于擴展芯片數(shù)量多、地址空間容量大的復雜系統(tǒng)。于擴展芯片數(shù)量多、地址空間容量大的復雜系統(tǒng)。 2. 2. 單片機系統(tǒng)擴展常用接口芯片單片機系統(tǒng)擴展常用接口芯片 （1 1）常用輸出接口芯片）常用輸出接口芯片 擴展擴展8 8位輸出口常用的鎖存器有位輸出口常用的鎖存器有74LS27374LS273、74LS37774LS377以以及帶三態(tài)門的及帶三態(tài)門的8D8D鎖存器鎖存器74LS37374LS373等。等。 （2 2）常用輸入接口芯片）常用輸入接口芯片輸入口常用的三態(tài)門電路有輸入口常用的三態(tài)門電路有74LS24474LS244、74LS24574LS245和

7、和74LS37374LS373等。等。 3. 3. 單片機擴展后的系統(tǒng)結構單片機擴展后的系統(tǒng)結構 CPU CPU一般外部都有地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，一般外部都有地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而而MCS-51MCS-51系列單片機由于受管腳數(shù)量的限制，數(shù)據(jù)總線和系列單片機由于受管腳數(shù)量的限制，數(shù)據(jù)總線和地址總線復用地址總線復用P0P0口。在使用時，為了和外部電路正確連接，口。在使用時，為了和外部電路正確連接，需要在單片機外部增設一片地址鎖存器需要在單片機外部增設一片地址鎖存器 （如（如 74LS37374LS373），構成與一般），構成與一般CPUCPU類似的片外三總線。類似的片外三總線。

8、 MCS-51系列單片機擴展三總線系列單片機擴展三總線 （1 1）地址總線（）地址總線（ABAB）MCS-51MCS-51系列單片機地址總線寬為系列單片機地址總線寬為1616位，所以可尋址范圍為位，所以可尋址范圍為216=64KB216=64KB。1616位地址總線由位地址總線由P0P0口提供低口提供低8 8位位A0A0A7A7，P2P2口口提供高提供高8 8位位A8A8A15A15。 P2P2口具有輸出鎖存功能口具有輸出鎖存功能 。地址總線。地址總線是單向的，只能由單片機向外發(fā)送是單向的，只能由單片機向外發(fā)送 。（2 2）數(shù)據(jù)總線（）數(shù)據(jù)總線（DBDB）數(shù)據(jù)總線由數(shù)據(jù)總線由P0P0口提供，其

9、寬度為口提供，其寬度為8 8位，用于單片機與外部位，用于單片機與外部存儲器和存儲器和I/OI/O設備之間傳送數(shù)據(jù)。設備之間傳送數(shù)據(jù)。P0P0口為三態(tài)雙向口，可口為三態(tài)雙向口，可以進行兩個方向的數(shù)據(jù)傳送以進行兩個方向的數(shù)據(jù)傳送 。（3 3）控制總線（）控制總線（CBCB）控制總線是單片機發(fā)出的控制片外存儲器和控制總線是單片機發(fā)出的控制片外存儲器和I/OI/O口讀口讀/ /寫操寫操作的一組控制線作的一組控制線 ，其中包括以下控制信號線：，其中包括以下控制信號線：ALEALE、 PSENEARDWR6.2 6.2 程序存儲器的擴展程序存儲器的擴展6.2.1 6.2.1 常用的程序存儲器常用的程序存儲

10、器1. EPROM1. EPROMEPROMEPROM是紫外線擦除的可編程只讀存儲器，掉電后信息不是紫外線擦除的可編程只讀存儲器，掉電后信息不會丟失。會丟失。EPROMEPROM中的程序需要由專門的編程器寫入，許多中的程序需要由專門的編程器寫入，許多單片機開發(fā)裝置具有單片機開發(fā)裝置具有EPROMEPROM寫入功能。寫入功能。(1) EPROM(1) EPROM的型號和特性的型號和特性常用的常用的EPROMEPROM有有27162716、27322732、27642764、2712827128、2725627256、2751227512等等 。 常用常用EPROM的引腳的引腳 (2) EPROM

11、 (2) EPROM的工作方式的工作方式 EPROM EPROM的主要工作方式有編程方式、編程校驗方式、的主要工作方式有編程方式、編程校驗方式、讀出方式、維持方式、編程禁止方式等。讀出方式、維持方式、編程禁止方式等。 2. EEPROM 2. EEPROM EPROM EPROM的缺點是無論擦除或寫入都需要專用設備，即的缺點是無論擦除或寫入都需要專用設備，即使寫錯一個字節(jié)，也必須全片擦掉后重寫，從而給使用使寫錯一個字節(jié)，也必須全片擦掉后重寫，從而給使用帶來不便。帶來不便。EEPROMEEPROM是電擦除可編程存儲器，掉電后信息是電擦除可編程存儲器，掉電后信息不會丟失不會丟失 。 (1) EEP

12、ROM (1) EEPROM的型號與特性的型號與特性 常用的并行常用的并行EEPROMEEPROM有有28162816（2KB2KB8 8）、）、28172817（2KB2KB8 8）、）、28642864（8KB8KB8 8）、）、2825628256（32KB32KB8 8）、）、2801028010（128KB128KB8 8）、）、2804028040（512KB512KB8 8）等。）等。 (2) EEPROM (2) EEPROM的工作方式的工作方式 EEPROM EEPROM的工作方式主要有讀出、寫入、維持三種的工作方式主要有讀出、寫入、維持三種 。6.2.2 6.2.2 程序存

13、儲器的擴展程序存儲器的擴展1. 1. 訪問外部程序存儲器的操作時序訪問外部程序存儲器的操作時序MCS-51MCS-51的外部程序存儲器讀操作時序如圖所示。的外部程序存儲器讀操作時序如圖所示。 MCS-51訪問外部程序存儲器時序訪問外部程序存儲器時序2. 2. 程序存儲器擴展的一般方法程序存儲器擴展的一般方法 單片機擴展外部程序存儲器（單片機擴展外部程序存儲器（EPROMEPROM）的一般連接方法）的一般連接方法如圖所示。如圖所示。MCS-51單片機擴展程序存儲器的一般連接方法單片機擴展程序存儲器的一般連接方法3. 3. 擴展舉例擴展舉例外部存儲器的擴展可通過線選方式或譯碼方式實現(xiàn)片選。外部存儲

14、器的擴展可通過線選方式或譯碼方式實現(xiàn)片選。 【例例】擴展擴展4KB EPROM4KB EPROM的的80518051系統(tǒng)。采用線選方式對系統(tǒng)。采用線選方式對80518051擴展一片擴展一片2732EPROM2732EPROM的連線圖。的連線圖。圖中鎖存器采用圖中鎖存器采用74LS37374LS373，80518051的的P2.0P2.0P2.3P2.3用作用作27322732的地址線，的地址線，其余其余P2.4P2.4P2.7P2.7中的任一根都可作中的任一根都可作為為27322732的片選信號線，片選信號決的片選信號線，片選信號決定了定了27322732的的4KB4KB存儲器在整個存儲器在整

15、個80518051擴擴展程序存儲器展程序存儲器64KB64KB空間中的位置?？臻g中的位置。圖中選用圖中選用P2.7P2.7作為作為27322732的片選信號的片選信號線，則線，則2732 EPROM2732 EPROM的地址范圍為的地址范圍為0000H0000H0FFFH0FFFH。擴展擴展4KB EPROM的的8051系統(tǒng)系統(tǒng)6.3 6.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展數(shù)據(jù)存儲器的擴展6.3.1 6.3.1 常用的數(shù)據(jù)存儲器常用的數(shù)據(jù)存儲器 單片機外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展芯片大多采用單片機外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展芯片大多采用SRAMSRAM，根，根據(jù)需要也可采用據(jù)需要也可采用EEPROMEEPROM或其他非易失

16、隨機存儲器（或其他非易失隨機存儲器（NV-NV-SRAMSRAM）芯片。）芯片。常用的常用的SRAMSRAM有有61166116、62646264、6225662256等，它們的引腳圖如圖等，它們的引腳圖如圖所示所示。常用常用SRAM引腳圖引腳圖6.3.2 6.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展數(shù)據(jù)存儲器的擴展1. 1. 數(shù)據(jù)存儲器擴展的一般方法數(shù)據(jù)存儲器擴展的一般方法 MCS-51 MCS-51單片機擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的一般連接方法如單片機擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的一般連接方法如圖所示。圖所示。 MCS-51單片機擴展數(shù)據(jù)存儲器的一般連接方法單片機擴展數(shù)據(jù)存儲器的一般連接方法2. 2. 訪問外部訪問外部RA

17、MRAM的操作時序的操作時序MCS-51MCS-51對外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問指令有以下四條：對外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問指令有以下四條： MOVXMOVX A, RiA, Ri MOVX MOVX Ri, ARi, A MOVX MOVX A, DPTRA, DPTR MOVX MOVX DPTR, ADPTR, AMCS-51MCS-51訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時序圖。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時序圖。MCS-51系列單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器讀系列單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器讀/寫時序寫時序3. 3. 擴展舉例擴展舉例 用用2 2片片61166116為為80518051擴展擴展4KB4KB的的RAMRAM系統(tǒng)。系統(tǒng)。

18、 下圖為下圖為80518051擴展擴展4KB4KB的的RAMRAM系統(tǒng)連接圖。圖中采用系統(tǒng)連接圖。圖中采用P2.3P2.3作為作為6116(1)6116(1)的片選信號線，其地址范圍為的片選信號線，其地址范圍為1000H1000H17FFH17FFH；P2.4P2.4作為作為6116(2)6116(2)的片選信號線，其地址范圍為的片選信號線，其地址范圍為0800H0800H0FFFH0FFFH。擴展擴展4KB RAM的的8051系統(tǒng)系統(tǒng)6.4 I/O6.4 I/O端口的擴展端口的擴展6.4.1 6.4.1 簡單并行簡單并行I/OI/O口的擴展口的擴展 當應用系統(tǒng)需要擴展的當應用系統(tǒng)需要擴展的I

19、/OI/O口數(shù)量較少而且功能單一口數(shù)量較少而且功能單一時，可采用鎖存器、三態(tài)門等構成簡單的時，可采用鎖存器、三態(tài)門等構成簡單的I/OI/O接口芯片。接口芯片。 1. 1. 并行輸出口的擴展并行輸出口的擴展 擴展擴展8 8位輸出口常用的鎖存器有位輸出口常用的鎖存器有74LS27374LS273、74LS37774LS377以及帶以及帶三態(tài)門的三態(tài)門的8D8D鎖存器鎖存器74LS37374LS373等。等。 （1 1）使用）使用74LS27374LS273對并行輸出口的擴展對并行輸出口的擴展74LS27374LS273是帶清除端的是帶清除端的8D8D觸發(fā)器，上升沿觸發(fā)，具有鎖存功觸發(fā)器，上升沿觸發(fā)

20、，具有鎖存功能。能。 （2 2）使用）使用74LS37774LS377對并行輸出口的擴展對并行輸出口的擴展74LS37774LS377是帶有輸出允許控制的是帶有輸出允許控制的8D8D觸發(fā)器，上升沿觸發(fā)觸發(fā)器，上升沿觸發(fā) 。 2. 2. 并行輸入口的擴展并行輸入口的擴展擴展擴展8 8位并行輸入口常用的三態(tài)門電路有位并行輸入口常用的三態(tài)門電路有74LS24474LS244、74LS24574LS245和和74LS37374LS373等。等。 （1 1）使用）使用74LS24474LS244對并行輸入口的擴展對并行輸入口的擴展 74LS244 74LS244是一種三態(tài)輸出的是一種三態(tài)輸出的8 8位總

21、線緩沖驅動器，無鎖位總線緩沖驅動器，無鎖存功能存功能 。 （2 2）使用）使用74LS24574LS245對并行輸入口的擴展對并行輸入口的擴展 74LS245 74LS245是三態(tài)輸出的是三態(tài)輸出的8 8位總線收發(fā)器位總線收發(fā)器/ /驅動器，無鎖驅動器，無鎖存功能。存功能。 6.4.2 81556.4.2 8155可編程多功能接口的擴展可編程多功能接口的擴展 8155 8155除了有除了有3 3個可編程并行個可編程并行I/OI/O端口外，還有端口外，還有256256字節(jié)的字節(jié)的RAMRAM和一個計數(shù)器和一個計數(shù)器/ /定時器，特別適合于單片機系統(tǒng)在擴展定時器，特別適合于單片機系統(tǒng)在擴展I/OI

22、/O口的同時，還需擴展少量口的同時，還需擴展少量RAMRAM和計數(shù)器和計數(shù)器/ /定時器的場合。定時器的場合。 1. 8155 1. 8155的結構的結構 它由下列三部分組成：它由下列三部分組成： 1 1）存儲器：）存儲器： 容量為容量為2562568 8位的靜態(tài)位的靜態(tài)RAMRAM。 2 2）I/OI/O接口：接口： 端口端口A A（PAPA）：可編程）：可編程8 8位位I/OI/O口口PA0PA0PA7PA7。 端口端口B B（PBPB）：可編程）：可編程8 8位位I/OI/O口口PB0PB0PB7PB7。 端口端口C C（PCPC）：可編程）：可編程6 6位位I/OI/O口口PC0PC0

23、PC5PC5。 3 3）計數(shù)器）計數(shù)器/ /定時器：定時器： 一個一個1414位二進制減位二進制減1 1可編程計數(shù)器可編程計數(shù)器/ /定時器。定時器。 2. 8155 2. 8155的引腳功能的引腳功能 AD0 AD0AD7AD7：雙向三態(tài)地址：雙向三態(tài)地址/ /數(shù)據(jù)總線，與單片機的地址數(shù)據(jù)總線，與單片機的地址/ /數(shù)據(jù)總線相連接。低數(shù)據(jù)總線相連接。低8 8位地址在位地址在ALEALE信號的下降沿鎖存到信號的下降沿鎖存到81558155內(nèi)部地址鎖存器，該地址可作為存儲器的內(nèi)部地址鎖存器，該地址可作為存儲器的8 8位地址，也位地址，也可作為可作為I/OI/O口地址；口地址； ALE ALE：地址

24、鎖存允許信號輸入線。：地址鎖存允許信號輸入線。 讀信號輸入線，低電平有效。讀信號輸入線，低電平有效。 寫信號輸入線，低電平有效。寫信號輸入線，低電平有效。 PA0 PA0PA7PA7：8 8位并行位并行I/OI/O線，數(shù)據(jù)的輸入或輸出方向由線，數(shù)據(jù)的輸入或輸出方向由命令字決定。命令字決定。 RDRDRD PB0 PB0PB7PB7：8 8位并行位并行I/OI/O線，數(shù)據(jù)的輸入或輸出方向由線，數(shù)據(jù)的輸入或輸出方向由命令字決定。命令字決定。 PC0 PC0PC5PC5：6 6位并行位并行I/OI/O線，既可作為線，既可作為6 6位通用位通用I/OI/O口，口，工作在基本輸入輸出方式，又可作為工作在

25、基本輸入輸出方式，又可作為PAPA口和口和PBPB口工作在選口工作在選通方式下的控制信號，這由命令字決定。通方式下的控制信號，這由命令字決定。 TIMER IN TIMER IN（簡寫為（簡寫為TINTIN）：計數(shù)器）：計數(shù)器/ /定時器的計數(shù)脈沖定時器的計數(shù)脈沖輸入線。輸入線。 TIMER OUT TIMER OUT（簡寫為（簡寫為TOUTTOUT）：計數(shù)器）：計數(shù)器/ /定時器的輸出線，定時器的輸出線，由計數(shù)器由計數(shù)器/ /定時器的寄存器決定輸出信號的波形。定時器的寄存器決定輸出信號的波形。RESETRESET為為復位信號輸入線，高電平有效，脈沖典型寬度為復位信號輸入線，高電平有效，脈沖典

26、型寬度為600ns600ns。在。在該信號作用下，該信號作用下，81558155將復位，命令字被清將復位，命令字被清0 0，三個，三個I/OI/O口被口被置為輸入方式，計數(shù)器置為輸入方式，計數(shù)器/ /定時器停止工作。定時器停止工作。 Vcc Vcc：5V5V電源；電源； GND GND（VssVss）：接地端。）：接地端。 其他引腳參看教材。其他引腳參看教材。 3. 8155 3. 8155的的RAMRAM和和I/OI/O口尋址口尋址 8155 8155的的I/OI/O口、口、RAMRAM和定時器和定時器/ /計數(shù)器在單片機應用系統(tǒng)計數(shù)器在單片機應用系統(tǒng)中是按外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的，為中是按外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的，為1616位地址數(shù)據(jù)位地址數(shù)據(jù) 。 4. 8155 4. 8155的命令字和狀態(tài)字以及的命令字和狀態(tài)字以及I/OI/O口工作方式口工作方式 (1) 8155(1) 8155的命令字和狀態(tài)字的命令字和狀態(tài)字 8155 8155的的PAPA口、口、PBPB口、口、PCPC口以及計數(shù)器口以及計數(shù)器/ /定時器都是可編定時器都是可編程的。程的。CPUCPU通過將用戶設定的命令字寫入命令字寄存器實現(xiàn)通過將用戶設定的命令字寫入命令字寄存器實現(xiàn)對它們的工作方式選擇，通過從狀態(tài)字寄存器讀出的狀態(tài)對它們的工作方式選擇，通過從狀態(tài)字寄存器讀出的狀態(tài)字來判別它們的狀態(tài)。命令字和