第7章MCS51單片機的擴展存儲器技術課件

第7、8章

MCS-51單片機的RAM與I/O擴展技術1.存儲器概述2.存儲器與I/O并行擴展的基本知識3.存儲器的擴展4.I/O的擴展5.串行擴展技術.第7、8章

MCS-51單片機的RAM與I/O擴展技術1由于單片機內部資源有限,在實際應用系統(tǒng)中,常在片外連接相應的外圍芯片來擴展的資源,滿足應用系統(tǒng)需求。51系列單片機的系統(tǒng)擴展主要有程序存儲器（ROM）的擴展、數據存儲器（RAM）的擴展、I/O口的擴展、中斷系統(tǒng)擴展以及其它特殊功能接口的擴展等。擴展方法既可以并行擴展,也可以串行擴展,且擴展方法較典型、規(guī)范。并行擴展是指利用單片機三組總線(AB、

BD、

CB)進行的擴展,早年的應用系統(tǒng)基本上都是這種并行擴展。串行擴展是通過串行信號線進行的擴展,串行擴展總線有單總線(1-Wire總線)、雙總線(I2C總線)、三總線(SPI總線)三種結構,是近年來主要發(fā)展的方向。.由于單片機內部資源有限,在實際應用系統(tǒng)中,常在片外2一、存儲器和I/O口并行擴展的基本知識

1、51單片機機的系統(tǒng)總線

系統(tǒng)并行擴展的重點是掌握單片機的系統(tǒng)總線，如圖8-1所示，三總線即地址總線（AB）數據總線（DB）和控制總線（CB）。具有總線的外部芯片都通過這三組總線進行擴展。（1）地址總線（AB）

由P0口提供低8位地址A0～A7。由P2口提供高8位地址A8～A15。

（2）數據總線（DB）

數據總線由P0口提供，用D0～D7表示。51系列單片微機的三總線結構.一、存儲器和I/O口并行擴展的基本知識1、51單片機機的系3

地址低8位總線和數據總線都是由P0口提供，通過分時實現(xiàn)傳輸功能。并且地址總線總是在ALE信號的下降沿有效，因此可通過ALE信號把低8位地址信號鎖存在外接的鎖存器上。下圖為地址、數據、及ALE信號的時序圖：

.地址低8位總線和數據總線都是由P0口提供，通過分時實4

根據上圖的時序，不難用TTL的鎖存芯片從P0口的復合信號中分離出低8位的地址信號。

D0D1D2D3D4D5D6D7GQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OE256912151619174LS373引腳圖GOEQN01=DN01=DN00保持1X高阻74LS373真值表34781314171811P0口ALE805174LS373D0~D7Q0~Q7OEGA0~A7A8~A15P2口.D0Q0274LS373引腳圖GOEQN01=D5

數據線總是在PSEN、WR、RD三個信號之一為低電平時有效，外圍芯片就是通過這三個信號之一來控制數據信號的傳輸。當有多個外圍芯片并連到的數據線上時，同一時間里只能夠有一個是有效的數據傳送通道，此時則由地址線譯碼出片選信號來選擇指定芯片數據通道進行數據傳送。(3)控制總線（CB）

控制總線包括片外系統(tǒng)擴展用控制線和片外信號對單片機的控制線。系統(tǒng)擴展用控制線有ALE、PSEN、WR、RD。 ALE：用于鎖存P0口輸出的低8位地址的控制線。通常，ALE在P0口輸出地址期間出現(xiàn)低電平，用這個低電平信號的上升沿控制鎖存器來鎖存地址數據。.數據線總是在PSEN、WR、RD三個信號之一為低電6

PSEN：輸出，用于讀片外程序存儲器（EPROM）中的數據?！白x”取EPROM中數據（指令）時，不能用“RD”信號，而只用PSEN信號。

EA：輸入，用于選擇片內或片外程序存儲器。 當EA＝0時，只訪問外部程序存儲器。當EA＝1時，先訪問內部程序存儲器，內部程序存儲器全部訪問完之后，再訪問外部程序存儲器。

WR、RD：輸出，用于片外數據存儲器（RAM）的讀、寫控制。當執(zhí)行片外數據存儲器操作指令MOVX時，自動生成、控制信號,并在數據線有效時輸出。

. PSEN：輸出，用于讀片外程序存儲器（EPROM）中的數據7

在單片微機應用系統(tǒng)中，為了對唯一地選擇片外某一存儲單元或I/O端口進行操作，需要進行選址。

一是必須先找到該存儲單元或I/O端口所在的芯片，一般稱為“片選”。二是通過對芯片本身所具有的地址線進行譯碼。這樣才能確定唯一的存儲單元或I/O端口。片選常用有“線選”、“地址譯碼”2種方法。2.片選控制.在單片微機應用系統(tǒng)中，為了對唯一地選擇片外8

(1)線選法：I/O接口芯片的“片選”控制線。線選法常一般是利用單片微機的最高幾位空余的地址線中一根(如P2.7)作為某一片存儲器芯片或用于應用系統(tǒng)中擴展芯片的片選，適用于芯片較少的場合。下圖是擴展3片存儲器“線選”方按圖：

A10...A0CEA10...A0CEA10...A0CEA10~A0A10~A0A10~A0A13A12A11IIIIII. (1)線選法：I/O接口芯片的“片選”控制線。線選法常一9

三個芯片地址分配如下：

線選方式的電路連接簡單，不必專門設計邏輯電路，其缺點是占用地址資源較多，地址重疊區(qū)多，芯片的地址空間可能不連續(xù)，不能充分利用微處理器的內存空間，因此這種方法只能在存儲器容量較小的場合。. 三個芯片地址分配如下： 線選方式的電路連接簡單，不必專10(2)譯碼法：用譯碼器對空余的高位地址線進行譯碼，而譯碼器的輸出作為“片選”控制線。常用的譯碼器有3/8譯碼器74LS138、雙2/4譯碼器74LS139、4/16譯碼器74LS154等。如下圖；CBAG1/G2A/G2B/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y774LS138

A10...A0CEA10...A0CEA10...A0CEA10~A0IIIIIIA13A12A11A15A14A15A14A13A12A11A10……A0十六進制地址芯片I100000……08000H~~100001……187FFH芯片II1100010……08800H~~100011……18FFFH芯片III1100100……09000H~~100101……197FFH.(2)譯碼法：用譯碼器對空余的高位地址線進行譯碼，而譯113.總線驅動器在外圍擴展芯片擴展較多的情況下,單片機總線驅動不足,這時要考慮在單片機的總線上加總線驅動器.常用驅動器芯片有74LS244和74LS245,其內部電路如下:單向驅動器74LS244雙向驅動器74LS245利用這些芯片不難開展單片機的驅動能力.如下圖:.3.總線驅動器單向驅動器74LS244雙向驅動器74LS2412..13二、外部存儲器的并行擴展

1.程序存儲器的操作時序CPU讀取指令有兩種情況：一種是不訪問外部數據存儲器的指令；二是訪問外部數據存儲器的指令。CPU在執(zhí)行這兩種指令時，其時序是不同的。a,不訪問外部RAM的指令時序.二、外部存儲器的并行擴展1.程序存儲器的操作時序a,不14b,訪問外部RAM的指令時序從圖中可知:低8位地址總是在ALE為低時有效;指令數據總是在PSEN或RD/WR為低電平時出現(xiàn)。根據此原則,就可以設計RAM和ROM的擴展電路。.b,訪問外部RAM的指令時序從圖中可知:低8位地址152．擴展片外程序存儲器的硬件電路例：擴展16K*8位片外程序存儲器

EPROM的擴展電路.2．擴展片外程序存儲器的硬件電路EPROM的擴展電路16用譯碼方法擴展4片27128的EPROM電路原理圖.用譯碼方法擴展4片27128的EPROM電路原理圖.17在圖中，圖中用2片8K的RAM來擴展。采線選法尋址。用一口線P2.7來尋址。

當P2.7=0時訪問片（0)，地址范圍為6000H～7FFFH

當P2.7=l時訪問片（1），地址范圍為E000H～FFFFH圖8–1116K片外數據存儲器擴展電路3．外數據存儲器的擴展.在圖中，圖中用2片8K的RAM來擴展。采線選法尋址。18P0.0~P0.7D0~D7A0~A7A8~A10P2.0~P2.2P2.7WRRDPSENCEWEOEALED0~D7Q0~Q7805174LS37328173888LEG2817與8051的接口電路4．擴展片外EEPROM的硬件電路EEPROM存儲器既可斷電保護數據,又可在線寫入數據,具有SRAM和EPROM兩者的優(yōu)點,且引腳和讀寫方式與EPROM相近,只是寫入時間較長,寫入次數有限,適宜于斷電后需要數據保護,數據變換不太頻繁的場合。.P0.0~P0.7D0~D7A0~A7A8~A10P2.0~195.FLASH存儲器的擴展

FLASH存儲器是Intel公司于20世紀80年代后期推出的新型存儲器,其主要的性能特點有：（1）快速整片電擦除，典型時間為1秒鐘。（2）采用快速脈沖編程算法進行高速編程。（3）可擦/寫10萬次。（4）寫入和擦除電壓為12V±5％。（5）最大的存取時間為135ns。（6）先進的CMOS工藝，最大工作電流為30mA，備用狀態(tài)下的最大電流為100μA。（7）命令寄存器的結構與微處理器/微控制器寫入接口兼容，抗噪聲能力強，允許±5%的電源噪聲波動。（8）片內地址和數據鎖存FLASHMEMORY的一個主要的確定就是只能進行整片或者分塊擦除，不能按存儲單元進行字節(jié)擦除，此外，F(xiàn)LASH存儲器的寫入速度比SRAM慢1～2個數量級。.5.FLASH存儲器的擴展FLASH存儲器20FLASH存儲器的操作單片機對存儲器的操作可以分為兩種情況，一種是VPP引腳不加高壓的情況，另一種是VPP引腳加高壓的情況。當VPP引腳不加高壓時，F(xiàn)LASH存儲器相當于一個只讀存儲器EPROM，在這種情況下，可以通過控制線對FLASH進行的操作有讀操作，備用狀態(tài)，禁止輸出和對Intel標識符進行操作。當在VPP引腳上施加12V±5％的高壓時，單片機還可以對FLASH存儲器進行擦除和編程操作。

.FLASH存儲器的操作.21FLASH存儲器的擴展舉例:用一片28F256（32KB）FLASH存儲器對8031單片機系統(tǒng)進行擴展作為外部數據存儲器的電路連接圖如圖所示。.FLASH存儲器的擴展舉例:.22三、I/O口的并行擴展

單片機沒有專門的I/O輸入輸出指令,擴展的I/O與外部RAM是統(tǒng)一編址,也就是說并行擴展的I/O口要占用外部RAM的地址空間,對擴展I/O口的訪問,像對待外部RAM一樣,CPU用MOVX指令與I/O口進行數據交流。1.用TTL芯片進行I/O口的擴展由于I/O輸出是用:MOVX@DPYR,A或MOVX @Ri,A指令進行,指令通過P0口數據總線輸出所需要的數據,此時的P0口并沒有鎖存功能,為了有穩(wěn)定的輸出,可以用簡單的TTL或CMOS的鎖存芯片把數據鎖存輸出。如下圖:.三、I/O口的并行擴展.23例：將一個數據字節(jié)從74LS377輸出，則執(zhí)行下面程序段： MOV DPTR,#7FFFH ；地址指針指向74LS377 MOV A,#DATA ；將輸出數據送A MOVX@DPTR,A ;輸出數據對于輸入,由于也是通過數據總線進行,輸入時一定要加三態(tài)芯片,以免平時對數據總線的影響。CK為時鐘輸入端G為鎖存允許.例：將一個數據字節(jié)從74LS377輸出，則執(zhí)行下面程序段：C24 對于常態(tài)數據的輸入，只需采用8位三態(tài)門控制電路芯片即可。圖8-13是用74LS244通過P0口擴展的8位并行輸入口，圖中，三態(tài)門由P2.6和RD相或控制，其端口地址為BFFFH。例：數據輸入MOV DPTR,#0BFFFH ；指向74LS244口地址A14=0MOVXA,@DPTR ；讀入數據74LS244是雙4位三態(tài)輸入緩沖器DRDP21G、2G為輸出控制端. 對于常態(tài)數據的輸入，只需采用8位三態(tài)門控制電路芯片即可。圖252.用8155芯片進行I/O口的擴展(1)8155的主要功能:內部有2個8位,1個6位的并行I/O口,還帶有256字節(jié)的RAM,一個14位的定時/計數器。

與8255相類似,I/O口和定時器的工作方式通過控制字來設定。其地址安排如下:CEIO/MA2A1A0選通端口CEIO/MA2A1A0選通端口01000控制口01100計數器低801001A口01101計數器高801010B口00XXXRAN單元01011C口.2.用8155芯片進行I/O口的擴展(1)8155的主要功26(2)8155的命令和狀態(tài)字.(2)8155的命令和狀態(tài)字.27(3)8155與單片機的接口電路P0.0~P0.7RSTP2.1P2.7ALERDWR8051AD0~AD7RSTIO/MCEALERDWRPAPBPC8155由右圖可得各口地址為:控制口:7F00HA口:7F01HB口:7F02HC口:7F03H定時/計數器低8位:7F04H定時/計數器高8位:7F05HRAM地址范圍:7E00H~7EFFH例:設AB為輸出,C口為輸入,則控制字為03H,初始化編程為:MOVDPTR,#7F00HMOV A,#03HMOVX@DPTR,A.(3)8155與單片機的接口電路P0.0~P0.7828四、串行擴展介紹單片機的外部串行擴展主要包括1-WIRE、I2C和SPI三種總線的擴展。1.1-WIRE總線結構1-WIRE總線結構在一根單總線上可以懸掛多個器件的總線，總線由主機控制，數據可雙向傳輸。1-Wire單總線器件的硬件結構如右圖所示。為了在單條傳輸線上能夠雙向傳輸地址、數據、控制信號，序列號接收發(fā)射電源單總線電源地實現(xiàn)并行傳輸同樣的功能，總線只能采用特殊的接口協(xié)議，每次通信都要按規(guī)定的次序來傳輸地址、數據和控制信息。同時為了解決接收雙方的同步，規(guī)定了信號雙方傳輸時的時序和握手方式。.四、串行擴展介紹1.1-WIRE總線結構序列號接收發(fā)射電源單29對器件的地址和產品的識別，每個器件產品上都刻錄了電子識別碼—即產品的序列號。此序列號（ID）采用64位的二進制ROM代碼，將個產品分開。具體的格式是：第一個字節(jié)是器件的家族代碼;接著的6個字節(jié)是每個器件唯一的序列號；最后一個字節(jié)是前56位的CRC校驗碼。此外一般的產品還含有接收控制、發(fā)射控制和電源存儲電路，可以直接從信號線上獲取電源，而無須再接電源引腳。1-WIRE總線具有結構簡單、成本低廉、節(jié)省I/O資源、便于總線擴展和維護等優(yōu)點。單總線端口為漏極開路，要求外接一個約5k的上拉電阻以確保單總線的閑置狀態(tài)為高電平，并要求主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連接至該單總線，使到設備在不發(fā)送數據時釋放單總線，以便總線被其他設備使用。.對器件的地址和產品的識別，每個器件產品上都刻錄了電子識30單總線的數據傳輸通常以16.3kbit/s的速率通信，超速模式下，可設定傳輸速率為100kbit/s左右，一般用于對速度要求不高的應用系統(tǒng)中。單總線技術的作用距離一般達到200ｍ，并允許掛上百個器件。2.1-Wire單總線器件的軟件操作為了識別單總線上的不同器件，在軟件的程序設計中，一般有以下步驟：（1）初始化命令（復位）

；（2）傳送ROM命令(尋找匹配器件和器件內尋址；（3）傳送RAM命令(讀寫口地址或單元內容)。除了搜索ROM命令和報警搜索命令例外,每次訪問單總線器件必須嚴格遵守這3個步驟，如果出現(xiàn)序列混亂則單總線器件不會響應主機要求，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，主機不能執(zhí)行其后的功能命令時必須返回至第一步。.單總線的數據傳輸通常以16.3kbit/s的速率通31上述三種命令可分解位總線上的三種操作:（1）初始化（復位）（2）寫０、1；（3）讀０、1。每種操作都有自己時序的要求,軟件設計中應保證按規(guī)定的時序要求進行編程。以下是三種操作的時序:主機發(fā)出低電平主機發(fā)復位脈沖480-960us等待15-60us

器件發(fā)響應脈沖60-240us電阻上拉激發(fā)低電平VCCGND1線總線圖:復位時序.上述三種命令可分解位總線上的三種操作:主機發(fā)出低電平32寫時隙時序圖

主機寫數據時，應先將數據線拉低1微秒以上，再寫入數據（寫“1”高，寫“0”為低）。待主機寫入的數據變化15～60微秒后，總線上的器件將對數據線采樣。要求主機寫入數據的時間保持在60～120微秒之間。兩次寫數據操作之間的間隙應大于1微秒。復位信號要求主機將數據線拉低并保持480～960微秒，再釋放數據線，由上拉電阻拉高15～60微秒。然后再由被復位的器件發(fā)出低電平60～240微秒，就完成了復位操作。

.寫時隙時序圖主機寫數據時，應先將數據線拉低33讀時隙時序圖讀數據之前，主機應先將數據線拉低，再釋放。總線上被讀期間在數據線從高電平跳低后15微秒內將數據送到數據線上。主機在15微秒后讀取數據線。.讀時隙時序圖讀數據之前，主機應先將數據線拉低，再釋放34以18B20測溫芯片為例,下圖是它的內部框圖:64位ROM和一線端口存儲和控制邏輯高速暫存器8位CRC生成器溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器供電方式選擇

.以18B20測溫芯片為例,下圖是它的內部框圖:存儲和控制35跟一般的1-WIRE器件一樣,有ROM和RAM操作命令.1.ROM的主要操作命令:讀序列號命令(33H):讀總線上DS18B20的序列號器件匹配命令(55H):對總線上DS18B20尋址搜索ROM命令(F0H):識別總線上多個器件的ROM編碼跳過ROM(CCH):命令執(zhí)行后，將省去每次與ROM有關的操作報警檢測命令(ECH):搜索有報警的器件2.RAM的主要操作命令寫入命令 (4EH):寫上、下限值到DS18B20中讀出命令 (BEH):從DS18B20讀出9字節(jié)數據（其中有溫度 值，報警值等）開始轉換 (44H):啟動溫度變換無讀存儲器命令，讀電源標志 (B4H):檢測DS18B20的供電方式

.跟一般的1-WIRE器件一樣,有ROM和RAM操作命令.362、I2C總線結構及其擴展方法（1）總線系統(tǒng)結構SDASCLSDASCLSDASCLVCC主機從機1從機2SCLSDA

I2C總線用兩跟雙向傳輸線SDA和SCL進行全雙工數據傳送，可以并行擴展多個外圍器件。總線采用了器件地址硬件設置,無須用外圍器件片選信號方式的尋址方法。

總線平時通過上拉電阻接到電源，在空閑情況下，2根線都處于高電平。

.2、I2C總線結構及其擴展方法SDASCLSDA37（2）總線的四種狀態(tài)和數據傳輸時序總線狀態(tài)SCLSDA總線不忙高電平高電平開始傳送數據高電平停止傳送數據高電平

數據傳送SCL低電平時更改數據，用SCL的上升沿讀取數據，在SCL高電平時數據不能變動I2C數據傳送時序.（2）總線的四種狀態(tài)和數據傳輸時序總線狀態(tài)SCL38（3）數據傳輸格式由于數據和地址信號都用一根數據線SDA來傳輸,何時傳輸地址?什么時候是主器件讀?什么時候是主器件寫?如何保證傳輸的正確？必須有一個共同接受的規(guī)定:①.主控器件寫操作主器件向被控器件發(fā)送n個數據的數據格式如下:起始信號S送7位地址和一位(為”0”)傳送方向SLAW應答信號A發(fā)送數據DATA1應答信號A……發(fā)送數據DATAn-1應答信號A發(fā)送數據DATAn非應答信號A/A’停止信號P②主控器件讀操作主器件向被控器件讀n個數據的數據格式如下:起始信號S送7位地址和一位(為”1”)傳送方向SLAR應答信號A接收數據DATA1應答信號A……接收數據DATAn-1應答信號A接收數據DATAn非應答信號A/A’停止信號P.（3）數據傳輸格式起始信號送7位地址和一位(為”0”)傳送39③主控器讀寫操作

主控器讀寫操作是指主控期間在一次數據過程中需要改變數據傳送方向的操作。原則上此過程中的讀寫操作分別與上述方法一樣,只是在數據傳送方向改變后,必須由主控器件發(fā)出從新啟動信號。(4)串行EEPROM的擴展技術串行EEPROM主要的型號如下表:型號容量AT24C01128X8AT24C02256X8AT24C04512X8AT24C081024X8AT24C0162048X8SDAVCCSCLA0TESTA1VSSA256748123NCNCSDAVCCSCLTESTNCNCVSSA0NCA1NCA219104678141312112351)引腳排列AT24系列芯片有8腳和14腳2種,其中:SDA:數據線SCL:時鐘線TEST:測試線, 平時接地..③主控器讀寫操作型號容量AT24C01128X8AT2402)地址選擇

AT24CX系列存儲芯片有多個型號,容量從128字節(jié)到2K字節(jié),若單靠I2C的尋址字節(jié)(SLAW/R),不能全部解決所有空間的尋址,為此它規(guī)定在訪問其單元時,在程序中增加一個字節(jié)尋找片內單元;而SLAW/R提供的尋址用于片間的選擇,該字節(jié)中高4位作識別位,最低位為讀寫方向位,其余3位與地址引腳相對應，提供作片選,因此用AT24CX系列擴展,最多可擴展到2K字節(jié),用24C02,則最多可擴展8片,若是24C16,則只能擴展一片。下面是用4片24C02擴展的2K電路:對于只用單片芯片，可用書中表7-17方法連接。.2)地址選擇對于只用單片芯片，可用書中表7-17方法連接。413)AT24CX系列芯片的寫操作a,字節(jié)寫格式如下:起始信號S尋址字節(jié)SLAW應答信號A寫單元地址WORDADR應答信號A寫數據DATA應答信號A停止信號Pb,頁寫頁寫是在指定地址開始連續(xù)寫入若干字節(jié),提高寫入的速度.一次最大字節(jié)數對01/02/04/08/16型號分別為4/8/16/16/16個,格式如下:起始信號S尋址字節(jié)SLAW應答信號A寫單元地址WORDADR應答信號A寫數據DATA1應答信號A寫數據DATA2應答信號A…寫數據DATAn應答信號A停止信號P.3)AT24CX系列芯片的寫操作起始信號尋址字節(jié)應答寫4224CX芯片內部有頁地址,對01/02/04/08/16型號,對應的頁地址有2/3/4/4/4位,頁寫入時有規(guī)定,對同一頁面進行頁寫時,低位數據必須寫入到低位地址,否則會出現(xiàn)”翻卷”現(xiàn)象。4)AT24CX系列芯片的讀操作24CX芯片的讀也有三種格式:a,當前地址讀:b,指定地址讀:c,序列讀:SSLARADATAA’PSSLAWAWORDATAASSLARADATAA’PSSLARADATA1ADATA2A…DATAnA’P.24CX芯片內部有頁地址,對01/02/04/08/435)AT24CX的接口電路及編程SDAVCCSCLA0TESTA1VSSA256748123P1.7P1.68051VCCR=5.1KAT24C02啟動子程序:要求在時鐘為高電平期間數據線由高變低。

STA:SETB P1.7;SDA=1SETB P1.6;SCL=1NOPNOPCLR P1.7;SDA=0NOPNOPCLR P1.6;SCL=0RET停止子程序:要求在時鐘為高電平期間數據線由低變高。STOP: CLR P1.7;SDA=0 SETB P1.6;SCL=1 NOP NOP SETB P1.7;SDA=1 NOP NOP CLR P1.6;SCL=0 RETSDASCLSDASCL.5)AT24CX的接口電路及編程SDAVCC544發(fā)送應答位”0”子程序:要求在SCL高電平期間主控器件向被控器件 發(fā)送”0”應答信號。SACK:CLR P1.7 SETB P1.6 NOP NOP CLR P1.6 SETB P1.7 RETSDASCL發(fā)送非應答位”1”子程序:要求在SCL高電平期間主控器件向被控器 件發(fā)送”1”應答信號。SDASCLSNACK:SETBP1.7 SETBP1.6 NOP NOP CLR P1.6 CLR P1.7 RET.發(fā)送應答位”0”子程序:要求在SCL高電平期間主控器件向被控45應答位檢查子程序:用于檢查一字節(jié)數據傳送后,主控器件在 第9位是否發(fā)回”0”的應答,若是,程序置 F0標志為0,否則置F0標志為1。ACK_CHK:SETBP1.7 ;設P1.7為輸入,由接收端發(fā)回低電平 SETB P1.6 ;輸出時鐘 CLR F0 JNBACC.7,EXIT;查由接收端是否發(fā)回低電平? SETB F0 ;不是,則置F0=1EXIT: CLR P1.6 ;結束時鐘 NOP RETSDASCL9正常應答信號.應答位檢查子程序:用于檢查一字節(jié)數據傳送后,主控器件在 46作業(yè):1.用8031單片機，并采用一片2716(2KB)和一片6116(2KB)組成一個既有程序存儲器又有數據存儲器的擴展系統(tǒng)，請：(1)畫出邏輯電路圖(2)說明其存儲空間2.請利用74HC138設計一個譯碼電路,分別選中4片2764,且列出各芯片所占的地址范圍:Y0芯片地址范圍0000H-1FFFH,Y1芯片地址范圍2000H-3FFFH,Y2芯片地址范圍4000H-5FFFH,Y3芯片地址范圍6000H-7FFFH.3.利用TTL芯片,設計擴展一個8位并行輸入口和一個8位并行輸出口,輸入口接8個開關,輸出口接8個發(fā)光二極管,并編程用8個開關的狀態(tài)控制8個二極管的亮滅..作業(yè):.47第7、8章

MCS-51單片機的RAM與I/O擴展技術1.存儲器概述2.存儲器與I/O并行擴展的基本知識3.存儲器的擴展4.I/O的擴展5.串行擴展技術.第7、8章

MCS-51單片機的RAM與I/O擴展技術48由于單片機內部資源有限,在實際應用系統(tǒng)中,常在片外連接相應的外圍芯片來擴展的資源,滿足應用系統(tǒng)需求。51系列單片機的系統(tǒng)擴展主要有程序存儲器（ROM）的擴展、數據存儲器（RAM）的擴展、I/O口的擴展、中斷系統(tǒng)擴展以及其它特殊功能接口的擴展等。擴展方法既可以并行擴展,也可以串行擴展,且擴展方法較典型、規(guī)范。并行擴展是指利用單片機三組總線(AB、

BD、

CB)進行的擴展,早年的應用系統(tǒng)基本上都是這種并行擴展。串行擴展是通過串行信號線進行的擴展,串行擴展總線有單總線(1-Wire總線)、雙總線(I2C總線)、三總線(SPI總線)三種結構,是近年來主要發(fā)展的方向。.由于單片機內部資源有限,在實際應用系統(tǒng)中,常在片外49一、存儲器和I/O口并行擴展的基本知識

1、51單片機機的系統(tǒng)總線

系統(tǒng)并行擴展的重點是掌握單片機的系統(tǒng)總線，如圖8-1所示，三總線即地址總線（AB）數據總線（DB）和控制總線（CB）。具有總線的外部芯片都通過這三組總線進行擴展。（1）地址總線（AB）

由P0口提供低8位地址A0～A7。由P2口提供高8位地址A8～A15。

（2）數據總線（DB）

數據總線由P0口提供，用D0～D7表示。51系列單片微機的三總線結構.一、存儲器和I/O口并行擴展的基本知識1、51單片機機的系50

地址低8位總線和數據總線都是由P0口提供，通過分時實現(xiàn)傳輸功能。并且地址總線總是在ALE信號的下降沿有效，因此可通過ALE信號把低8位地址信號鎖存在外接的鎖存器上。下圖為地址、數據、及ALE信號的時序圖：

.地址低8位總線和數據總線都是由P0口提供，通過分時實51

根據上圖的時序，不難用TTL的鎖存芯片從P0口的復合信號中分離出低8位的地址信號。

D0D1D2D3D4D5D6D7GQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OE256912151619174LS373引腳圖GOEQN01=DN01=DN00保持1X高阻74LS373真值表34781314171811P0口ALE805174LS373D0~D7Q0~Q7OEGA0~A7A8~A15P2口.D0Q0274LS373引腳圖GOEQN01=D52

數據線總是在PSEN、WR、RD三個信號之一為低電平時有效，外圍芯片就是通過這三個信號之一來控制數據信號的傳輸。當有多個外圍芯片并連到的數據線上時，同一時間里只能夠有一個是有效的數據傳送通道，此時則由地址線譯碼出片選信號來選擇指定芯片數據通道進行數據傳送。(3)控制總線（CB）

控制總線包括片外系統(tǒng)擴展用控制線和片外信號對單片機的控制線。系統(tǒng)擴展用控制線有ALE、PSEN、WR、RD。 ALE：用于鎖存P0口輸出的低8位地址的控制線。通常，ALE在P0口輸出地址期間出現(xiàn)低電平，用這個低電平信號的上升沿控制鎖存器來鎖存地址數據。.數據線總是在PSEN、WR、RD三個信號之一為低電53

PSEN：輸出，用于讀片外程序存儲器（EPROM）中的數據?！白x”取EPROM中數據（指令）時，不能用“RD”信號，而只用PSEN信號。

EA：輸入，用于選擇片內或片外程序存儲器。 當EA＝0時，只訪問外部程序存儲器。當EA＝1時，先訪問內部程序存儲器，內部程序存儲器全部訪問完之后，再訪問外部程序存儲器。

WR、RD：輸出，用于片外數據存儲器（RAM）的讀、寫控制。當執(zhí)行片外數據存儲器操作指令MOVX時，自動生成、控制信號,并在數據線有效時輸出。

. PSEN：輸出，用于讀片外程序存儲器（EPROM）中的數據54

在單片微機應用系統(tǒng)中，為了對唯一地選擇片外某一存儲單元或I/O端口進行操作，需要進行選址。

一是必須先找到該存儲單元或I/O端口所在的芯片，一般稱為“片選”。二是通過對芯片本身所具有的地址線進行譯碼。這樣才能確定唯一的存儲單元或I/O端口。片選常用有“線選”、“地址譯碼”2種方法。2.片選控制.在單片微機應用系統(tǒng)中，為了對唯一地選擇片外55

(1)線選法：I/O接口芯片的“片選”控制線。線選法常一般是利用單片微機的最高幾位空余的地址線中一根(如P2.7)作為某一片存儲器芯片或用于應用系統(tǒng)中擴展芯片的片選，適用于芯片較少的場合。下圖是擴展3片存儲器“線選”方按圖：

A10...A0CEA10...A0CEA10...A0CEA10~A0A10~A0A10~A0A13A12A11IIIIII. (1)線選法：I/O接口芯片的“片選”控制線。線選法常一56

三個芯片地址分配如下：

線選方式的電路連接簡單，不必專門設計邏輯電路，其缺點是占用地址資源較多，地址重疊區(qū)多，芯片的地址空間可能不連續(xù)，不能充分利用微處理器的內存空間，因此這種方法只能在存儲器容量較小的場合。. 三個芯片地址分配如下： 線選方式的電路連接簡單，不必專57(2)譯碼法：用譯碼器對空余的高位地址線進行譯碼，而譯碼器的輸出作為“片選”控制線。常用的譯碼器有3/8譯碼器74LS138、雙2/4譯碼器74LS139、4/16譯碼器74LS154等。如下圖；CBAG1/G2A/G2B/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y774LS138

A10...A0CEA10...A0CEA10...A0CEA10~A0IIIIIIA13A12A11A15A14A15A14A13A12A11A10……A0十六進制地址芯片I100000……08000H~~100001……187FFH芯片II1100010……08800H~~100011……18FFFH芯片III1100100……09000H~~100101……197FFH.(2)譯碼法：用譯碼器對空余的高位地址線進行譯碼，而譯583.總線驅動器在外圍擴展芯片擴展較多的情況下,單片機總線驅動不足,這時要考慮在單片機的總線上加總線驅動器.常用驅動器芯片有74LS244和74LS245,其內部電路如下:單向驅動器74LS244雙向驅動器74LS245利用這些芯片不難開展單片機的驅動能力.如下圖:.3.總線驅動器單向驅動器74LS244雙向驅動器74LS2459..60二、外部存儲器的并行擴展

1.程序存儲器的操作時序CPU讀取指令有兩種情況：一種是不訪問外部數據存儲器的指令；二是訪問外部數據存儲器的指令。CPU在執(zhí)行這兩種指令時，其時序是不同的。a,不訪問外部RAM的指令時序.二、外部存儲器的并行擴展1.程序存儲器的操作時序a,不61b,訪問外部RAM的指令時序從圖中可知:低8位地址總是在ALE為低時有效;指令數據總是在PSEN或RD/WR為低電平時出現(xiàn)。根據此原則,就可以設計RAM和ROM的擴展電路。.b,訪問外部RAM的指令時序從圖中可知:低8位地址622．擴展片外程序存儲器的硬件電路例：擴展16K*8位片外程序存儲器

EPROM的擴展電路.2．擴展片外程序存儲器的硬件電路EPROM的擴展電路63用譯碼方法擴展4片27128的EPROM電路原理圖.用譯碼方法擴展4片27128的EPROM電路原理圖.64在圖中，圖中用2片8K的RAM來擴展。采線選法尋址。用一口線P2.7來尋址。

當P2.7=0時訪問片（0)，地址范圍為6000H～7FFFH

當P2.7=l時訪問片（1），地址范圍為E000H～FFFFH圖8–1116K片外數據存儲器擴展電路3．外數據存儲器的擴展.在圖中，圖中用2片8K的RAM來擴展。采線選法尋址。65P0.0~P0.7D0~D7A0~A7A8~A10P2.0~P2.2P2.7WRRDPSENCEWEOEALED0~D7Q0~Q7805174LS37328173888LEG2817與8051的接口電路4．擴展片外EEPROM的硬件電路EEPROM存儲器既可斷電保護數據,又可在線寫入數據,具有SRAM和EPROM兩者的優(yōu)點,且引腳和讀寫方式與EPROM相近,只是寫入時間較長,寫入次數有限,適宜于斷電后需要數據保護,數據變換不太頻繁的場合。.P0.0~P0.7D0~D7A0~A7A8~A10P2.0~665.FLASH存儲器的擴展

FLASH存儲器是Intel公司于20世紀80年代后期推出的新型存儲器,其主要的性能特點有：（1）快速整片電擦除，典型時間為1秒鐘。（2）采用快速脈沖編程算法進行高速編程。（3）可擦/寫10萬次。（4）寫入和擦除電壓為12V±5％。（5）最大的存取時間為135ns。（6）先進的CMOS工藝，最大工作電流為30mA，備用狀態(tài)下的最大電流為100μA。（7）命令寄存器的結構與微處理器/微控制器寫入接口兼容，抗噪聲能力強，允許±5%的電源噪聲波動。（8）片內地址和數據鎖存FLASHMEMORY的一個主要的確定就是只能進行整片或者分塊擦除，不能按存儲單元進行字節(jié)擦除，此外，F(xiàn)LASH存儲器的寫入速度比SRAM慢1～2個數量級。.5.FLASH存儲器的擴展FLASH存儲器67FLASH存儲器的操作單片機對存儲器的操作可以分為兩種情況，一種是VPP引腳不加高壓的情況，另一種是VPP引腳加高壓的情況。當VPP引腳不加高壓時，F(xiàn)LASH存儲器相當于一個只讀存儲器EPROM，在這種情況下，可以通過控制線對FLASH進行的操作有讀操作，備用狀態(tài)，禁止輸出和對Intel標識符進行操作。當在VPP引腳上施加12V±5％的高壓時，單片機還可以對FLASH存儲器進行擦除和編程操作。

.FLASH存儲器的操作.68FLASH存儲器的擴展舉例:用一片28F256（32KB）FLASH存儲器對8031單片機系統(tǒng)進行擴展作為外部數據存儲器的電路連接圖如圖所示。.FLASH存儲器的擴展舉例:.69三、I/O口的并行擴展

單片機沒有專門的I/O輸入輸出指令,擴展的I/O與外部RAM是統(tǒng)一編址,也就是說并行擴展的I/O口要占用外部RAM的地址空間,對擴展I/O口的訪問,像對待外部RAM一樣,CPU用MOVX指令與I/O口進行數據交流。1.用TTL芯片進行I/O口的擴展由于I/O輸出是用:MOVX@DPYR,A或MOVX @Ri,A指令進行,指令通過P0口數據總線輸出所需要的數據,此時的P0口并沒有鎖存功能,為了有穩(wěn)定的輸出,可以用簡單的TTL或CMOS的鎖存芯片把數據鎖存輸出。如下圖:.三、I/O口的并行擴展.70例：將一個數據字節(jié)從74LS377輸出，則執(zhí)行下面程序段： MOV DPTR,#7FFFH ；地址指針指向74LS377 MOV A,#DATA ；將輸出數據送A MOVX@DPTR,A ;輸出數據對于輸入,由于也是通過數據總線進行,輸入時一定要加三態(tài)芯片,以免平時對數據總線的影響。CK為時鐘輸入端G為鎖存允許.例：將一個數據字節(jié)從74LS377輸出，則執(zhí)行下面程序段：C71 對于常態(tài)數據的輸入，只需采用8位三態(tài)門控制電路芯片即可。圖8-13是用74LS244通過P0口擴展的8位并行輸入口，圖中，三態(tài)門由P2.6和RD相或控制，其端口地址為BFFFH。例：數據輸入MOV DPTR,#0BFFFH ；指向74LS244口地址A14=0MOVXA,@DPTR ；讀入數據74LS244是雙4位三態(tài)輸入緩沖器DRDP21G、2G為輸出控制端. 對于常態(tài)數據的輸入，只需采用8位三態(tài)門控制電路芯片即可。圖722.用8155芯片進行I/O口的擴展(1)8155的主要功能:內部有2個8位,1個6位的并行I/O口,還帶有256字節(jié)的RAM,一個14位的定時/計數器。

與8255相類似,I/O口和定時器的工作方式通過控制字來設定。其地址安排如下:CEIO/MA2A1A0選通端口CEIO/MA2A1A0選通端口01000控制口01100計數器低801001A口01101計數器高801010B口00XXXRAN單元01011C口.2.用8155芯片進行I/O口的擴展(1)8155的主要功73(2)8155的命令和狀態(tài)字.(2)8155的命令和狀態(tài)字.74(3)8155與單片機的接口電路P0.0~P0.7RSTP2.1P2.7ALERDWR8051AD0~AD7RSTIO/MCEALERDWRPAPBPC8155由右圖可得各口地址為:控制口:7F00HA口:7F01HB口:7F02HC口:7F03H定時/計數器低8位:7F04H定時/計數器高8位:7F05HRAM地址范圍:7E00H~7EFFH例:設AB為輸出,C口為輸入,則控制字為03H,初始化編程為:MOVDPTR,#7F00HMOV A,#03HMOVX@DPTR,A.(3)8155與單片機的接口電路P0.0~P0.7875四、串行擴展介紹單片機的外部串行擴展主要包括1-WIRE、I2C和SPI三種總線的擴展。1.1-WIRE總線結構1-WIRE總線結構在一根單總線上可以懸掛多個器件的總線，總線由主機控制，數據可雙向傳輸。1-Wire單總線器件的硬件結構如右圖所示。為了在單條傳輸線上能夠雙向傳輸地址、數據、控制信號，序列號接收發(fā)射電源單總線電源地實現(xiàn)并行傳輸同樣的功能，總線只能采用特殊的接口協(xié)議，每次通信都要按規(guī)定的次序來傳輸地址、數據和控制信息。同時為了解決接收雙方的同步，規(guī)定了信號雙方傳輸時的時序和握手方式。.四、串行擴展介紹1.1-WIRE總線結構序列號接收發(fā)射電源單76對器件的地址和產品的識別，每個器件產品上都刻錄了電子識別碼—即產品的序列號。此序列號（ID）采用64位的二進制ROM代碼，將個產品分開。具體的格式是：第一個字節(jié)是器件的家族代碼;接著的6個字節(jié)是每個器件唯一的序列號；最后一個字節(jié)是前56位的CRC校驗碼。此外一般的產品還含有接收控制、發(fā)射控制和電源存儲電路，可以直接從信號線上獲取電源，而無須再接電源引腳。1-WIRE總線具有結構簡單、成本低廉、節(jié)省I/O資源、便于總線擴展和維護等優(yōu)點。單總線端口為漏極開路，要求外接一個約5k的上拉電阻以確保單總線的閑置狀態(tài)為高電平，并要求主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連接至該單總線，使到設備在不發(fā)送數據時釋放單總線，以便總線被其他設備使用。.對器件的地址和產品的識別，每個器件產品上都刻錄了電子識77單總線的數據傳輸通常以16.3kbit/s的速率通信，超速模式下，可設定傳輸速率為100kbit/s左右，一般用于對速度要求不高的應用系統(tǒng)中。單總線技術的作用距離一般達到200ｍ，并允許掛上百個器件。2.1-Wire單總線器件的軟件操作為了識別單總線上的不同器件，在軟件的程序設計中，一般有以下步驟：（1）初始化命令（復位）

；（2）傳送ROM命令(尋找匹配器件和器件內尋址；（3）傳送RAM命令(讀寫口地址或單元內容)。除了搜索ROM命令和報警搜索命令例外,每次訪問單總線器件必須嚴格遵守這3個步驟，如果出現(xiàn)序列混亂則單總線器件不會響應主機要求，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，主機不能執(zhí)行其后的功能命令時必須返回至第一步。.單總線的數據傳輸通常以16.3kbit/s的速率通78上述三種命令可分解位總線上的三種操作:（1）初始化（復位）（2）寫０、1；（3）讀０、1。每種操作都有自己時序的要求,軟件設計中應保證按規(guī)定的時序要求進行編程。以下是三種操作的時序:主機發(fā)出低電平主機發(fā)復位脈沖480-960us等待15-60us

器件發(fā)響應脈沖60-240us電阻上拉激發(fā)低電平VCCGND1線總線圖:復位時序.上述三種命令可分解位總線上的三種操作:主機發(fā)出低電平79寫時隙時序圖

主機寫數據時，應先將數據線拉低1微秒以上，再寫入數據（寫“1”高，寫“0”為低）。待主機寫入的數據變化15～60微秒后，總線上的器件將對數據線采樣。要求主機寫入數據的時間保持在60～120微秒之間。兩次寫數據操作之間的間隙應大于1微秒。復位信號要求主機將數據線拉低并保持480～960微秒，再釋放數據線，由上拉電阻拉高15～60微秒。然后再由被復位的器件發(fā)出低電平60～240微秒，就完成了復位操作。

.寫時隙時序圖主機寫數據時，應先將數據線拉低80讀時隙時序圖讀數據之前，主機應先將數據線拉低，再釋放。總線上被讀期間在數據線從高電平跳低后15微秒內將數據送到數據線上。主機在15微秒后讀取數據線。.讀時隙時序圖讀數據之前，主機應先將數據線拉低，再釋放81以18B20測溫芯片為例,下圖是它的內部框圖:64位ROM和一線端口存儲和控制邏輯高速暫存器8位CRC生成器溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器供電方式選擇

.以18B20測溫芯片為例,下圖是它的內部框圖:存儲和控制82跟一般的1-WIRE器件一樣,有ROM和RAM操作命令.1.ROM的主要操作命令:讀序列號命令(33H):讀總線上DS18B20的序列號器件匹配命令(55H):對總線上DS18B20尋址搜索ROM命令(F0H):識別總線上多個器件的ROM編碼跳過ROM(CCH):命令執(zhí)行后，將省去每次與ROM有關的操作報警檢測命令(ECH):搜索有報警的器件2.RAM的主要操作命令寫入命令 (4EH):寫上、下限值到DS18B20中讀出命令 (BEH):從DS18B20讀出9字節(jié)數據（其中有溫度 值，報警值等）開始轉換 (44H):啟動溫度變換無讀存儲器命令，讀電源標志 (B4H):檢測DS18B20的供電方式

.跟一般的1-WIRE器件一樣,有ROM和RAM操作命令.832、I2C總線結構及其擴展方法（1）總線系統(tǒng)結構SDASCLSDASCLSDASCLVCC主機從機1從機2SCLSDA

I2C總線用兩跟雙向傳輸線SDA和SCL進行全雙工數據傳送，可以并行擴展多個外圍器件?？偩€采用了器件地址硬件設置,無須用外圍器件片選信號方式的尋址方法。

總線平時通過上拉電阻接到電源，在空閑情況下，2根線都處于高電平。

.2、I2C總線結構及其擴展方法SDASCLSDA84（2）總線的四種狀態(tài)和數據傳輸時序總線狀態(tài)SCLSDA總線不忙高電平高電平開始傳送數據高電平停止傳送數據高電平

數據傳送SCL低電平時更改數據，用SCL的上升沿讀取數據，在SCL高電平時數據不能變動I2C數據傳送時序.（2）總線的四種狀態(tài)和數據傳輸時序總線狀態(tài)SCL85（3）數據傳輸格式由于數據和地址信號都用一根數據線SDA來傳輸,何時傳輸地址?什么時候是主器件讀?什么時候是主器件寫?如何保證傳輸的正確？必須有一個共同接受的規(guī)定:①.主控器件寫操作主器件向被控器件發(fā)送n個數據的數據格式如下:起始信號S送7位地址和一位(為”0”)傳送方向SLAW應答信號A發(fā)送數據DATA1應答信號A……發(fā)送數據DATAn-1應答信號A發(fā)送數據DATAn非應答信號A/A’停止信號P②主控器件讀操作主器件向被控器件讀n個數據的數據格式如下:起始信號S送7位地址和一位(為”1”)傳送方向SLAR應答信號A接收數據DATA1應答信號A……接收數據DATAn-1應答信號A接收數據DATAn非應答信號A/A’停止信號P.（3）數據傳輸格式起始信號送7位地址和一位(為”0”)傳送86③主控器讀寫操作

主控器讀寫操作是指主控期間在一次數據過程中需要改變數據傳送方向的操作。原則上此過程中的讀寫操作分別與上述方法一樣,只是在數據傳送方向改變后,必須由主控器件發(fā)出從新啟動信號。(4)串行EEPROM的擴展技術串行EEPROM主要的型號如下表:型號容量AT24C01128X8AT24C02256X8AT24C04512X8AT24C081024X8AT24C0162048X8SDAVCCSCLA0TESTA1VSSA256748123NCNCSDAVCCSCLTESTNCNCVSSA0NCA1NCA219104678141312112351)引腳排列AT24系列芯片有8腳和14腳2種,其中:SDA:數據線SCL:時鐘線TEST:測試線, 平時接地..③主控器讀寫操作型號容量AT24C01128X8AT287