第5章單片機系統(tǒng)的擴展

1、第第5章章 單片機存儲器的擴展單片機存儲器的擴展 5.1 系統(tǒng)擴展概述系統(tǒng)擴展概述 5.2 常用的擴展器件簡介常用的擴展器件簡介5.3 存儲器的擴展存儲器的擴展5.1 系統(tǒng)擴展概述系統(tǒng)擴展概述 5.1.1 最小應用系統(tǒng) 單片機系統(tǒng)的擴展是以基本的最小系統(tǒng)為基礎的, 故應首先熟悉最小應用系統(tǒng)的結構。 實際上, 內部帶有程序存儲器的8051或8751單片機本身就是一個最簡單的最小應用系統(tǒng),許多實際應用系統(tǒng)就是用這種成本低和體積小的單片結構實現(xiàn)了高性能的控制。 對于目前國內較多采用的內部無程序存儲器的芯片8031來說, 則要用外接程序存儲器的方法才能構成一個最小應用系統(tǒng)。 1. 片內帶程序存儲器的最

2、小應用系統(tǒng) 片內帶程序存儲器的8051、 8751本身即可構成一片最小系統(tǒng), 只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可, 同時 接高電平, ALE、 信號不用, 系統(tǒng)就可以工作。 如圖41(a)所示該系統(tǒng)的特點如下: (1) 系統(tǒng)有大量的I/O線可供用戶使用: P0、 P1、 P2、 P3四個口都可以作為I/O口使用。 (2) 內部存儲器的容量有限, 只有128 B的RAM和4 KB的程序存儲器。 EAPSEN (3) 應用系統(tǒng)的開發(fā)具有特殊性, 由于應用系統(tǒng)的P0口、 P2口在開發(fā)時需要作為數(shù)據(jù)、 地址總線, 故這兩個口上的硬件調試只能用模擬的方法進行。 8051的應用軟件須依靠廠家用掩膜技術

3、置入, 故一般只適用于可作大批量生產的應用系統(tǒng)。 2. 片內無程序存儲器的最小應用系統(tǒng) 片內無程序存儲器的芯片構成最小應用系統(tǒng)時, 必須在片外擴展程序存儲器。 由于一般用作程序存儲器的EPROM芯片不能鎖存地址, 故擴展時還應加1個鎖存器, 構成一個3片最小系統(tǒng), 如圖41(b)所示。 該圖中74LS373為地址鎖存器, 用于鎖存低8位地址。 圖51 MCS51系列最小化系統(tǒng) 5.1.2 系統(tǒng)擴展的內容與方法 1. 單片機的三總線結構 當單片機最小系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能的要求時, 就需要進行擴展。 為了使單片機能方便地與各種擴展芯片連接, 常將單片機的外部連線變?yōu)橐话愕奈⑿陀嬎銠C3總線結構形式。

4、 對于MCS-51系列單片機, 其3總線由下列通道口的引線組成: 地址總線: 由P2口提供高8位地址線, 此口具有輸出鎖存的功能, 能保留地址信息。 由P0口提供低8位地址線。 數(shù)據(jù)總線: 由P0口提供。 此口是雙向、 輸入三態(tài)控制的8位通道口。 控制總線: 擴展系統(tǒng)時常用的控制信號為: ALE地址鎖存信號, 用以實現(xiàn)對低8位地址的鎖存。 片外程序存儲器取指信號。 片外數(shù)據(jù)存儲器讀信號。 片外數(shù)據(jù)存儲器寫信號。 圖52為單片機擴展成3總線結構的示意圖。 這樣一來, 擴展芯片與主機的連接方法同一般3總線結構的微型計算機就完全一樣了。 對于MCS-51系列單片機而言, Intel 公司專門為它們配

5、套生產了一些專用外圍芯片, 使用起來就更加方便。 PSENRDWR圖52 單片機的3總線結構形式 2. 系統(tǒng)擴展的內容與方法 (1) 系統(tǒng)的擴展一般有以下幾方面的內容: 外部程序存儲器的擴展; 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展; 輸入/輸出接口的擴展; 管理功能器件的擴展(如定時/計數(shù)器、 鍵盤/顯示器、 中斷優(yōu)先編碼器等)。 (2) 系統(tǒng)擴展的基本方法: 使用TTL中小規(guī)模集成電路進行擴展。 采用Intel MCS-80/85微處理器外圍芯片來擴展。 采用為MCS-48系列單片機設計的一些外圍芯片, 其中許多芯片可直接與MCS-51系列單片機連用。 采用與MCS-80/85外圍芯片兼容的其它一些通用標準

6、芯片。 5.2 常用的擴展器件簡介常用的擴展器件簡介 在MCS51單片機系統(tǒng)的擴展中常用的擴展器件如表51所示。 現(xiàn)將另外幾種常用器件簡介如下。表51 MCS51單片機常用的擴展器件 5.2.1 8D鎖存器74LS373 74LS373是一種帶輸出三態(tài)門的8D鎖存器， 其結構示意圖如圖43所示。 其中： 1D8D為8個輸入端。 1Q8Q為8個輸出端。 G為數(shù)據(jù)打入端： 當G為“1”時， 鎖存器輸出狀態(tài)(1Q8Q)同輸入狀態(tài)(1D8D)； 當G由“1”變“0”時， 數(shù)據(jù)打入鎖存器中。 圖53 74LS373的結構示意圖 圖54 74LS373用作地址鎖存器 1D8D1Q8Q74LS373G OE

7、P0.7P0.0A7A0ALE 5.2.2 總線驅動器74LS244, 74LS245 總線驅動器74LS244和74LS245經常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器， 74LS244為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，而74LS245為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。 單向的內部有8個三態(tài)驅動器， 分成兩組， 分別由控制端 和 控制； 雙向的有16個三態(tài)驅動器， 每個方向8個。 在控制端 有效時( 為低電平)， 由DIR端控制驅動方向： DIR為“1”時方向從左到右(輸出允許)， DIR為“0”時方向從右到左(輸入允許)。 74LS244和74LS245的引腳圖如圖45所示。 1G2GGG 圖55 總線驅動器芯片管腳圖(a) 單向驅

8、動器74LS244; (b) 雙向驅動器74LS245 P2口如外接總線驅動器， 可用單向的72LS244, 其連接圖如圖46(a)所示。 它的兩個控制端 和 均接地， 相當于8個三態(tài)門均打開， 數(shù)據(jù)從P2口到A8A15端直通， 也就是說。 此處采用74LS244純粹是為了增加驅動能力而不加任何控制。 1G2G 圖56 總線驅動器的連接圖(a) P2口外接74LS244; (b) P0口外接74LS245 5.2.3 38譯碼器74LS138 38譯碼器74LS138為一種常用的地址譯碼器芯片， 其管腳圖如圖47所示。 其中， G1、 , 個控制端， 只有當G1為“”且 , 均為“0”時， 譯

9、碼器才能進行譯碼輸出。 否則譯碼器的8個輸出端全為高阻狀態(tài)。 譯碼輸入端與輸出端之間的譯碼關系如表52所示。 具體使用時， G1、 與 既可直接接至+5 V端或地， 也可參與地址譯碼。 但其譯碼關系必須為100。 需要時也可通過反相器使輸入信號符合要求。 2G A2GB2G A2GB2G A2GB圖57 74LS138管腳圖 表52 74LS138的譯碼關系 C B A 輸出有效0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y71 0 11 1 01 1 15.3 存儲器的擴展存儲器的擴展 5.3.1 存儲器擴展概述 MCS-51系列單片機具有6

10、4 KB的程序存儲器空間， 其中8051、 8751型單片機含有4 KB 的片內程序存儲器, 而8031型單片機則無片內程序存儲器。 當采用8051、 8751型單片機而程序超過4 KB, 或采用8031型單片機時, 就需要進行程序存儲器的擴展。 MCS-51系列單片機的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的地址空間是互相獨立的, 其片外數(shù)據(jù)存儲器的空間可達64 KB, 而片內的數(shù)據(jù)存儲器空間只有128 B。 如果片內的數(shù)據(jù)存儲器不夠用時, 則需進行數(shù)據(jù)存儲器的擴展。 存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。 所謂編址就是給存儲單元分配地址。 由于存儲器通常由多片芯片組成, 為此存儲器的編址分為兩個層次:

11、即存儲器芯片的選擇和存儲器芯片內部存儲單元的選擇。 存儲器芯片的選擇有兩種方法: 線選法和譯碼法。 1. 線選法 所謂線選法, 就是直接以系統(tǒng)的地址線作為存儲器芯片的片選信號, 為此只需把用到的地址線與存儲器芯片的片選端直接相連即可。 2. 譯碼法 所謂譯碼法就是使用地址譯碼器對系統(tǒng)的片外地址進行譯碼, 以其譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。 譯碼法又分為完全譯碼和部分譯碼兩種。 (1) 完全譯碼。 地址譯碼器使用了全部地址線， 地址與存儲單元一一對應， 也就是1個存儲單元只占用1個唯一的地址。 (2) 部分譯碼。 地址譯碼器僅使用了部分地址線， 地址與存儲單元不是一一對應， 而是1個存儲單元

12、占用了幾個地址。 1根地址線不接， 一個單元占用2(21)個地址； 2根地址線不接， 一個單元占用4(22)個地址； 3根地址線不接， 則占用8(23)個地址， 依此類推。 在設計地址譯碼器電路時， 如果采用地址譯碼關系圖的話， 將會帶來很大的方便。 所謂地址譯碼關系圖， 就是一種用簡單的符號來表示全部地址譯碼關系的示意圖。 例如： A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 .0100X X X X X X X X X X X 從地址譯碼關系圖上可以看出以下幾點： 屬完全譯碼還是部分譯碼； 片內譯碼線和片外譯碼線各有多少根； 所占用的全部地址范圍為多少。 例

13、如在上面的關系圖中， 有1個“”(A15不接)， 表示為部分譯碼， 每個單元占用2個地址。 片內譯碼線有11根(A100), 片外譯碼線有4根。 其所占用的地址范圍如下： 當A15為0時， 所占用地址為00100000000000000010011111111111， 即2000H27FFH。 當A15為1時， 所占用地址為10100000000000001010011111111111, 即A000HA7FFH。 共占用了兩組地址， 這兩組地址在使用中同樣有效。 應該指出的是, 隨著半導體存儲器的不斷發(fā)展, 大容量、 高性能、 低價格的存儲器不斷推出, 這就使得存儲器的擴展變得更加方便, 譯

14、碼電路也越來越簡單了。 5.3.2 程序存儲器的擴展 1. 只讀存儲器簡介 半導體存儲器分為隨機存取存儲器(Random Access Memory)和只讀存儲器 (Read Only Memory)兩大類, 前者主要用于存放數(shù)據(jù), 后者主要用于存放程序。 只讀存儲器是由MOS管陣列構成的, 以MOS管的接通或斷開來存儲二進制信息。 按照程序要求確定ROM存儲陣列中各MOS管狀態(tài)的過程叫做ROM編程。 根據(jù)編程方式的不同, ROM可分為以下3種: 1) 掩膜ROM 掩膜ROM簡稱為ROM, 其編程是由半導體制造廠家完成的, 即在生產過程中進行編程。 2)可編程ROM(PROM) PROM芯片出

15、廠時并沒有任何程序信息, 其程序是由用戶寫入的, 與掩膜ROM相比, 有了一定的靈活性, 批量也不一定很大。 3) 可擦除ROM(EPROM或EEPROM) 可擦除ROM芯片的內容由用戶寫入, 并允許反復擦除重新寫入。 EEPROM芯片每個字節(jié)可改寫萬次以上, 信息的保存期大于10年。 這種芯片給計算機應用系統(tǒng)帶來很大的方便, 不僅可以修改參數(shù), 而且斷電后能保存數(shù)據(jù)。 它的缺點是價格偏高。 2. EPROM2764簡介 1) 2764的引腳 自從EPROM2716芯片被逐漸淘汰后, 目前比較廣泛采用的是2764芯片。該芯片為雙列直插式28引腳的標準芯片, 容量為8K8位, 其管腳如圖58所示

16、。 圖58 EPROM2764引腳圖 其中: A12A0: 13位地址線。 D7D0: 8位數(shù)據(jù)線。 : 片選信號, 低電平有效。 : 輸出允許信號, 當 時, 輸出緩沖器打開, 被尋址單元的內容才能被讀出。 VPP: 編程電源, 當芯片編程時, 該端加上編程電壓 (+25 V或+12 V); 正常使用時, 該端加+5 V電源。 (NC為不用的管腳)。 CEOEOE 2) 2764的工作時序 2764在使用時， 只能將其所存儲的內容讀出， 其過程與RAM的讀出十分類似。 即首先送出要讀出的單元地址， 然后使 和 均有效(低電平)， 則在芯片的D0D7數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的內容。 其過程的時

17、序關系如圖59所示。CEOE圖59 EPROM2764的讀出時序 有效地址有效數(shù)據(jù)A12A0CEOED7D0 3) 2764的編程 EPROM的一個重要特點就在于它可以反復擦除， 即在其存儲的內容擦除后可通過編程(重新)寫入新的內容。 這就為用戶調試和修改程序帶來很大的方便。 EPROM的編程過程如下： (1) 擦除： 如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片， 則它是干凈的。 干凈的標志通常是每一個存儲單元的內容都是FFH。 (2) 編程： EPROM的編程有兩種方式： 標準編程和靈巧編程。 這里應注意的是， 對于不同型號、 不同廠家生產的EPROM芯片， 其編程電壓Vpp是不一樣的， 有+1

18、2 V, +18 V, +21 V, +24 V等數(shù)種。 編程時一定要根據(jù)芯片所要求的電壓來編程。 若不注意， 極易燒壞芯片。 3. 程序存儲器擴展舉例 現(xiàn)分3種情況說明程序存儲器的擴展方法。 (1) 不用片外譯碼的單片程序存儲器的擴展。 例1: 試用EPROM2764構成8031的最小系統(tǒng)。 解: 由于8031無片內程序存儲器, 因此必須外接程序存儲器以構成最小系統(tǒng)。 其連接方法是在圖42的基礎上, 將2764按3總線的要求連接, 其連接的關鍵在于地址譯碼。 由于一般所采用的芯片其字節(jié)數(shù)均超過256個單元, 也就是說片內地址線超過8條, 故地址譯碼的核心問題是高8位地址線的連接。 (2) 采

19、用線選法的多片程序存儲器的擴展。 例2: 在圖413所示的連接圖中, 使用了兩片2764, 一共構成了8 K2=16 K的有效地址?，F(xiàn)采用線選法編址, 以P2.7(A15)直接作為片選信號, 當P2.7= 0 時, 選中左邊1片2764, 其地址范圍為0000H1FFFH; 當P2.7=1 時, 選中右邊1片 2764 , 其地址范圍為8000H9FFFH。 這是部分譯碼, 有2根地址線未接, 1個單元要占用22=4個地址號。 以上只是4組地址中的1組。 若需地址連續(xù)的話, 可取如下1組地址: 6000H 7FFFH 和8000H9FFFH。 (3) 采用地址譯碼器的多片程序存儲器的擴展。 圖

20、512 2764與8031的連接圖 圖513 兩片程序存儲器擴展連接圖 例3: 要求用2764芯片擴展 8031 的片外程序存儲器空間, 分配的地址范圍為 0000H3FFFH。 解： 本例采用完全譯碼的方法, 即所有地址線全部連接, 每個單元只占用唯一的1個地址。 確定片數(shù): 字片數(shù)為 字片數(shù)= (末地址-首地址)+1 芯片字數(shù) = (3FFFH-0000H) +112000H = 4000H 2000H =2(片) 分配地址范圍: 第1組(1片)所占用的地址范圍為: 0000000000000000 0000H 00011111111111111FFFH第2組(1片)所占用的地址范圍為:

21、00100000000000002000H 00111111111111113FFFH 位片數(shù)為 位片數(shù)= 單元位數(shù) 芯片位數(shù) = 88 總片數(shù)=字片數(shù)位片數(shù)=21=2(片) 畫出地址譯碼關系圖: 第1組 000X X X X X X X X X X X X XP2.7P2.6P2.5P2.4 P2.0 P0.7 P0.0 (A15)(A14)(A13)(A12) (A8)(A7) (A0)001X X X X X X X X X X X X X 第2組 上面打部分為片內譯碼, 對于2764來說有13位, 其地址變化范圍為從全0變到全1, 其余部分為片外譯碼。 設計外譯碼電路: 本例只介紹采用

22、譯碼器芯片的設計方法, 現(xiàn)采用3-8譯碼器74LS138。 片外譯碼只有3根線(P2.7, P2.6, P2.5)， 分別接至譯碼器的C、 B、 A輸入端。 控制端G1, , 不參與譯碼， 接成常有效。 如圖414所示。 2G A2G B圖514 74LS138譯碼器連接圖 畫出存儲器擴展連接圖: 該連接圖如圖515所示。 圖中3-8譯碼器74LS138只用了兩個譯碼輸出端, 如果需要的話, 還可利用其余6個譯碼輸出端。 圖515 采用地址譯碼器擴展程序存儲器的連接圖 例4： 圖514中38譯碼器74LS138的譯碼輸出端 和 所對應的地址范圍各為多少? 解 ： 對 于 來 說 ， 其 地 址 變 化 范 圍 為10000000000000001001111111111111, 即8000H9FFFH。 對 于 來 說 ， 其 地 址 變 化 范 圍 為10100000000000001011111111111111, 即A000HBFFFH。4Y5Y4Y5Y 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 1. 數(shù)據(jù)存儲器概述 數(shù)據(jù)存儲器即隨機存取存儲器(Random Access Memory), 簡稱RAM, 用于存放可隨時修改的數(shù)據(jù)信息。 它與ROM不同, 對RAM可以進行讀、 寫兩種操作。 RAM為易失性存儲器, 斷