單片機(jī)課件 第六章資料

1、 單片機(jī)原理(yunl)及應(yīng)用 （第6章）共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展 當(dāng)單片機(jī)最小系統(tǒng)不能滿足需求時，要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展主要指外接數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、中斷系統(tǒng)和I/O口擴(kuò)展等。 擴(kuò)展方法有并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展法兩種 并行擴(kuò)展法是利用單片機(jī)三總線 (AB、DB、CB) 的系統(tǒng)擴(kuò)展，數(shù)據(jù)傳輸為并行傳送方式，特點(diǎn)是速度快，相對成本高 串行擴(kuò)展主要是利用串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送(f sn)和接收，數(shù)據(jù)傳輸為串行傳送方式，可構(gòu)成分布式多級應(yīng)用系統(tǒng)共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.1 概述 系統(tǒng)擴(kuò)展:系統(tǒng)擴(kuò)展指單片機(jī)內(nèi)部功能部件不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)，在片

2、外連接相應(yīng)的外圍芯片，對單片機(jī)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。 擴(kuò)展芯片:大多數(shù)是常規(guī)芯片，擴(kuò)展電路比較典型、規(guī)范，基本上是固定電路 常見的擴(kuò)展:程序(chngx)存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O口、中斷系統(tǒng)以及其他特殊功能總線指連接系統(tǒng)中各擴(kuò)展部件的一組公共信號線。復(fù)用指既可作地址線，又可作數(shù)據(jù)線。 復(fù)用技術(shù)：增加一個8位鎖存器，通過對鎖存器的控制實(shí)現(xiàn)對地址和數(shù)據(jù)的分離。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.2 簡單I/O口擴(kuò)展6.2.1 I/O 接口電路的功能（1）I/O接口功能 速度協(xié)調(diào)。 數(shù)據(jù)鎖存、隔離。（2）擴(kuò)展并行(bngxng) I/O 接口的方法 常用并口擴(kuò)展方法有三種：簡單I/O接

3、口擴(kuò)展電路、利用單片機(jī)串口擴(kuò)展和利用可編程并行接口芯片擴(kuò)展。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.2.2利用(lyng)TTL、CMOS集成電路擴(kuò)展簡單I/O口1. 簡單輸入接口擴(kuò)展（1）典型芯片 （2）擴(kuò)展方法共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展2. 簡單輸出接口的擴(kuò)展（1）典型(dinxng)芯片 （2）擴(kuò)展方法共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展3.同時(tngsh)擴(kuò)展輸入與輸出接口共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.2.3用串行口擴(kuò)展并行I/O接口 單片機(jī)不與其他設(shè)備進(jìn)行串行通信時，可用串行接口來擴(kuò)展并行I/O口，將串口設(shè)

4、定為方式0，工作在移位寄存器的輸入/輸出方式。可外接移位寄存器（如CD4094、74LS164、CD4014或74LS165）等芯片(xn pin)來擴(kuò)展I/O接口。8位串行數(shù)據(jù)從RXD輸入或輸出（即輸入輸出公用RXD接口），TXD作為同步脈沖。CPU將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器時，立即啟動發(fā)送，將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的固定波特率從RXD輸出，低位在前，高位在后。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，中斷標(biāo)志位TI由硬件自動置位。6.3 可編程并行接口芯片擴(kuò)展并行I/O口 6.3.1 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳說明共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展(1)內(nèi)部(nib)邏輯結(jié)構(gòu)共四十四頁第6章 C51單

5、片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展8255A 引腳圖共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展(2) 外部引腳8255A有40個引腳，采用雙列直插封裝，單一的+5 V電源，注意它的+5V電源引腳是第26腳，地線引腳是第7腳，不像大多數(shù)TTL芯片電源和地線在右上角和左下角的位置。 與CPU連接的引腳數(shù)據(jù)線D0D7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，用來傳送數(shù)據(jù)信息。地址線A0、A1: 端口選擇信號。8255A 內(nèi)部有 3 個數(shù)據(jù)端口和 1 個控制端口，由 A1、A0 編程選擇。對它們的訪問只需要使用(shyng)A0和A1即可實(shí)現(xiàn)編址，如表6.2所示。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展 ：片選信號，

6、低電平有效。 、 ：讀、寫控制讀信號線，低電平有效，用于控制從8255A端口寄存器讀出/寫入信息。A1、A0和、及CS組合所實(shí)現(xiàn)的各種功能如表6.3所示。 和外設(shè)端相連的引腳PA7PA0：A口的8根輸入/輸出信號線，用于與外設(shè)連接。PB7PB0：B口的8根輸入/輸出信號線，用于與外設(shè)連接。 PC7PC0：C口的8根輸入/輸出信號線，用于與外設(shè)連接。既可作為輸入/輸出口，還可以傳送(chun sn)控制和狀態(tài)信號，作為PA和PB的聯(lián)絡(luò)信號。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.3.2 8255A的命令(mng lng)/狀態(tài)寄存器共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展

7、2）C端口置位/復(fù)位(f wi)（置1/置0 ）控制字共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.3.3 8255A工作方式8255A有3種工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0：基本輸入輸出方式，適用于無條件傳送和查詢方式的接口電路；方式1：選通輸入輸出方式，適用于查詢和中斷方式的接口電路；方式2：雙向選通傳送方式，適用于與雙向傳送數(shù)據(jù)的外設(shè)，或查詢和中斷方式的接口電路。6.3.4 8255A的初始化編程 8255A占4個地址，即A口、B口、C口和控制寄存器各占一個(y )，對同一個(y )地址分別可進(jìn)行讀寫操作。初始化有兩個控制命令字：方式選擇控制字和C口按位置/復(fù)位控制字，共

8、四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展都寫入8255A的最后一個地址，即A1A0=11時，相應(yīng)的端口中。如：8255A的四個端口地址為80H83H，則控制字應(yīng)寫入83H中。初始化編程時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：方式命令是對8255A的3個端口的工作方式及功能(gngnng)指定進(jìn)行初始化，要在使用8255A之前。按位置位/復(fù)位命令只是對PC口的輸出進(jìn)行控制，使用它不破壞已經(jīng)建立的3種工作方式，放在初始化程序后。兩個命令的最高位（D7）都是特征位，之所以要設(shè)置特征位，是為了識別兩個命令。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.3.5 8255A與單片機(jī)連接(linji)共四十四頁第

9、6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展（1）硬件連接。8255A與C51單片機(jī)的連接包含數(shù)據(jù)線、地址線、控制線的連接。如圖6-17為8255A擴(kuò)展實(shí)例。數(shù)據(jù)線：8255A的8根數(shù)據(jù)線D0D7直接與P0口依次對應(yīng)連接。 控制線：8255A的復(fù)位線RESET與89C51的復(fù)位端相連，都接到89C51的復(fù)位電路上，保證89C51對8255A的初始化在8255A復(fù)位以后。8255A的 WR和RD與89C51的WR和RD對應(yīng)相連 地址線：因8255A的8位地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用，且內(nèi)部沒有鎖存器，故89C51的AD0AD7須經(jīng)鎖存器鎖存地址信息后與8255A的A1和A0地址線對應(yīng)連接，而89C51的地址鎖存

10、允許(ynx)信號ALE則與鎖存器的使能端相連。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.4 I2C總線擴(kuò)展6.4.1 I2C總線概述采用I2C總線設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1)總線驅(qū)動能力強(qiáng)。I2C總線外圍擴(kuò)展器件都使CMOS型，功率極低，因而總線上擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)數(shù)不由電流負(fù)載能力決定，而由電容負(fù)載確定。 (2)任何一個I2C總線接口的外圍器件，不論其功能差別有多大，都是通過串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL連接到I2C總線上。用戶不必理解每個I2C總線接口器件的功能如何，只要將器件的SDA和SCL連接到I2C總線，然后對該器件模塊進(jìn)行獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)，從而簡化(jinhu)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)

11、的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，符合EMC(E1ectro Magnetic Compatibility)設(shè)計(jì)原則。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展(3)在單主系統(tǒng)中，每個I2C總線接口芯片具有唯一的器件地址，各器件間互不干擾，相互之間不能通信，MCU和I2C器件間的通信是通過獨(dú)一無二的器件地址實(shí)現(xiàn)。 (4)PHILIPS公司在推出I2C總線的同時制定了嚴(yán)格的規(guī)范(gufn),如接口的電器特征、型號時序、信號傳送的定義等，決定了I2C總線軟件編寫的一致性。6.4.2 I2C總線的電氣連接 I2C總線采用二線制傳輸，一根是數(shù)據(jù)線SDA（Serial Data Line），另一根

12、是時鐘線SCL（Serial Clock Line），所有I2C器件都連接在SDA和SCL上， I2C總線支持多主和主從兩種工作方式。一般I2C總線工作在主從工作方式，只有一個主器件，其它均為從器件，主器件對總線有控制權(quán)。在多主方式中，通過硬件和軟件仲裁，主控制器取得總線控制權(quán)。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.4.3 I2C總線的尋址方式(1)數(shù)據(jù)幀格式D7D4(DA3DA0)：固定位，由生產(chǎn)廠家給出，用戶不能改變。D3D1(A2A0)：可編程位，與器件(qjin)的地址管腳的連接相對應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)中使用了多個相同芯片時可進(jìn)行

13、正確訪問。引腳(A1，A0)和器件(qjin)在電路中的實(shí)際接法有關(guān)(地址線、電源和地)，形成地址數(shù)據(jù)。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展(2)尋址字節(jié)中的特殊地址地 址 位 R/W 意 義0 0 0 00 0 00通用呼叫地址0 0 0 00 0 01起始字節(jié)0 0 0 00 0 1CBUS地址0 0 0 00 1 0為不同總線(zn xin)的保留地址0 0 0 00 1 1保留0 0 0 01 1 1 1 11 1 1 1 10 十位從機(jī)地址共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展（3）總線尋址I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后

14、的第一個字節(jié)）。主機(jī)發(fā)送地址時，總線上的每個從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)位將自己確定為發(fā)送器或接收器。從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(tǒng)(xtng)中可能希望接入多個相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.4.4 I2C總線(zn xin)的信息傳輸（1）I2C總線信號定義共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展I2C總線(zn xin)的起停信號共四十四頁

15、第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展I2C總線的數(shù)據(jù)(shj)傳送時序共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展I2C總線(zn xin)的應(yīng)答位共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展主控制器寫操作(cozu)格式示意圖主控制器寫操作具體內(nèi)容共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展主控制器讀操作(cozu)格式示意圖主控制器寫操作具體內(nèi)容共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展主控制器先寫后讀操作(cozu)格式示意圖主控制器先寫后讀操作具體內(nèi)容共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.4.5 C51單片機(jī)與I2C總線的接口1.內(nèi)部無I2

16、C總線的數(shù)據(jù)傳送模擬驅(qū)動程序 主機(jī)可以采用不帶I2C總線接口的單片機(jī)，使用單片機(jī)I/O口模擬I2C總線，利用軟件實(shí)現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號模擬。 起始信號子函數(shù)用于開始I2C總線通信。其中，起始信號是在時鐘(shzhng)線SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上高電平向低電平變化的下降沿信號。起始信號出現(xiàn)以后，才可以進(jìn)行后續(xù)的I2C總線尋址或數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?應(yīng)答信號子函數(shù)用于表明I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。I2C總線數(shù)據(jù)傳送時，一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送完畢后都必須由主器件 產(chǎn)生應(yīng)答信號。主器件在第9個時鐘位上釋放數(shù)據(jù)總線SDA，使其處于高電平狀態(tài)，此時從器件輸出低電平拉低數(shù)據(jù)總線SDA為

17、應(yīng)答信號。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展 非應(yīng)答信號子函數(shù)用于數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常而無法(wf)完成時。在一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送完畢后，在第9個時鐘位上從器件輸出高電平為非應(yīng)答信號 硬件連接非常簡單，只需要2個I/O口，在軟件中分別定義成SCL和SDA，直接相連，再加上上拉電阻即可，硬件接口如圖6-30所示。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展以MCS-51單片機(jī)為例，采用C51編寫(binxi)通用通用I2C總線模擬驅(qū)動程序。用P1.6和P1.7直接與SCL和SDA相連，用戶可以定義其他I/O口引腳為SCL和SDL信號，程序中包括I2C功能函數(shù)。 I_init()：初

18、始化。delay()：延時。I_clock()：SCL時鐘信號。I_start()：起始信號。I_stop()：結(jié)束信號。I_send()：數(shù)據(jù)發(fā)送。I_Ack()：應(yīng)答信號。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展2. I2C總線存儲器的擴(kuò)展 目前(mqin)有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。 24C04引腳圖 8051與24C04接口共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.5 SPI總線接口（1）SPI總線接口

19、特性(txng)首先，輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。未選中芯片時，輸出端應(yīng)處于高阻態(tài)。若沒有三態(tài)控制端，則應(yīng)外加三態(tài)門。否則MCU的MISO端只能連接1個輸入芯片。 其次，輸出芯片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。因?yàn)橹挥性诖诵酒试S時，SCK脈沖才把串行數(shù)據(jù)移入該芯片；在禁止時，SCK對芯片無影響。若沒有允許控制端，則應(yīng)在外圍用門電路對SCK進(jìn)行控制， 然后再加到芯片的時鐘輸入端；當(dāng)然，也可只在SPI總線上連接1個芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展（2）SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸 SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時序主要是在SCK的控制下，兩

20、個雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中CS是控制芯片是否被選中，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接(linji)多個SPI設(shè)備成為可能。 在SPI方式下數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上沿或下沿時改變，在緊接著的下沿或上沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。 共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展6.6 C51單片機(jī)

21、的存儲器擴(kuò)展6.6.1 C51單片機(jī)的存儲器系統(tǒng)(xtng) （1）選擇合適類型的存儲器芯片（2）工作速度匹配（3）選擇合適的存儲容量（4）合理分配存儲器地址空間的分配（5）合理選擇地址譯碼方式6.6.2 C51單片機(jī)存儲器擴(kuò)展的一般方法1）單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)：控制線、數(shù)據(jù)線、地址線共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展2）編址方法系統(tǒng)空間分配：通過適當(dāng)?shù)牡刂肪€產(chǎn)生各外部擴(kuò)展器件的片選/使能等信號就是系統(tǒng)空間分配。 編址：就是利用系統(tǒng)提供的地址總線，通過適當(dāng)?shù)倪B接，實(shí)現(xiàn)一個編址惟一地對應(yīng)系統(tǒng)中的一個外圍(wiwi) 芯片的過程。編址就是研究系統(tǒng)地址空間的分配問題。片內(nèi)尋址：若某芯片內(nèi)部

22、有多個可尋址單元，則稱為片內(nèi)尋址。編址的方法：芯片的選擇是由系統(tǒng)的高位地址線通過譯碼實(shí)現(xiàn)的，片內(nèi)尋址直接由系統(tǒng)低位地址信息確定。 共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展（1）存儲芯片的位擴(kuò)充芯片(xn pin)的地址線全部并接且與地址總線相應(yīng)連接；片選信號線并接，連接到地址譯碼器的輸出端；讀寫控制信號并接，連接到控制總線的存儲器讀寫控制線上；不同芯片的數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)總線不同位上。（2）存儲芯片的字?jǐn)U充 存儲器芯片數(shù)據(jù)線的連接。數(shù)據(jù)線的數(shù)目由芯片的字長決定。 存儲器芯片地址線的連接。地址線的數(shù)目由芯片的容量決定。共四十四頁第6章 C51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)擴(kuò)展 存儲器芯片片選信號的連接。存儲器芯片有一根或幾根片選信號線存儲器芯片地址(dzh)線的連接。存儲器芯片的地址(dzh)線與單片機(jī)的地址(dzh)總線(A0A15)按由低位到高位的順序順次相接。 全譯碼：所謂全譯碼就是存儲器芯片的地址線與單片機(jī)系統(tǒng)的地址線