單片機第四章

單片機第四章第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.1MCS-51單片機系統(tǒng)擴展概述

系統(tǒng)擴展是指為加強單片機某方面功能，在最小應用系統(tǒng)(CPU、存儲器、I/O接口)基礎上，增加一些外圍功能部件而進行的擴充。4.1.1MCS-51系列單片機的外部擴展原理

1．MCS-51系列單片機的片外總線結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機具有很強的外部擴展功能。其外部擴展都是通過三總線進行的。

（1）地址總線（AB）地址總線用于傳送單片機輸出的地址信號，寬度為16位，P0口經(jīng)鎖存器提供低8位地址，鎖存信號是由CPU的ALE引腳提供的；P2口提供高8位地址。（2）數(shù)據(jù)總線（DB）數(shù)據(jù)總線是由P0口提供的，寬度為8位。第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（3）控制總線（CB）

控制總線實際上是CPU輸出的一組控制信號。MCS-51單片機通過三總線擴展外部設備的總體結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日51單片機擴展外部設備的總體結(jié)構(gòu)圖第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2．MCS-51系列單片機系統(tǒng)的擴展能力

片外可擴展存儲器的最大容量為216=64KB，地址范圍為0000H～FFFFH。片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的地址重疊共享，但選通信號不同。選通片外程序存儲器，和分別選通片外數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。

I/O接口的編址方法：一種是獨立編址，另一種是統(tǒng)一編址。MCS-51單片機采用了統(tǒng)一編址方式，即I/O端口地址與外部數(shù)據(jù)存儲單元地址共同使用0000H～FFFFH（64KB）。當MCS-51單片機應用統(tǒng)擴展較多外部設備和I/O接口時，要占去大量的數(shù)據(jù)存儲器的地址。第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.1.2MCS-51單片機系統(tǒng)地址空間的分配

系統(tǒng)空間分配：通過適當?shù)牡刂肪€產(chǎn)生各外部擴展器件的片選/使能等信號就是系統(tǒng)空間分配。

編址：編址就是利用系統(tǒng)提供的地址總線，通過適當?shù)倪B接，實現(xiàn)一個編址惟一地對應系統(tǒng)中的一個外圍芯片的過程。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)部還有多個可尋址單元，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現(xiàn)的，片內(nèi)尋址直接由系統(tǒng)低位地址信息確定。

產(chǎn)生外圍芯片片選信號的方法有三種：線選法、全地址譯碼法和部分譯碼法。第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日1.線選法

直接以系統(tǒng)空閑的高位地址線作為芯片的片選信號。優(yōu)點是簡單明了，無須另外增加電路，缺點是尋址范圍不惟一，地址空間沒有被充分利用，可外擴的芯片的個數(shù)較少。線選法適用于小規(guī)模單片機應用系統(tǒng)中片選信號的產(chǎn)生。2.全地址譯碼法利用譯碼器對系統(tǒng)地址總線中未被外擴芯片用到的高位地址線進行譯碼，以譯碼器的輸出作為外圍芯片的片選信號。常用的譯碼器有：74LS139，74LS138，74LS154等。優(yōu)點是存儲器的每個存儲單元只有惟一的一個系統(tǒng)空間地址，不存在地址重疊現(xiàn)象；對存儲空間的使用是連續(xù)的，能有效地利用系統(tǒng)的存儲空間。缺點是所需地址譯碼電路較多，。全地址譯碼法是單片機應用系統(tǒng)設計中經(jīng)常采用的方法。第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

3.部分地址譯碼法單片機的未被外擴芯片用到的高位地址線中，只有一部分參與地址譯碼，其余部分是懸空的。優(yōu)點是可以減少所用地址譯碼器的數(shù)量。缺點是存儲器每個存儲單元的地址不是惟一的，存在地址重疊現(xiàn)象。因此，采用部分地址譯碼法時必須把程序和數(shù)據(jù)存放在基本地址范圍內(nèi)，以避免因地址重疊引起程序運行的錯誤。第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.2存儲器的擴展

存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶裝置，用來存放要運行的程序和程序運行所需要的數(shù)據(jù)。單片機系統(tǒng)擴展的存儲器可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩種類型。

MCS-51單片機對外部存儲器的擴展應考慮的問題：（1）選擇合適類型的存儲器芯片只讀存儲器用于固化程序和常數(shù)?？煞譃檠谀OM、可編程PROM、紫外線可擦除EPROM和電可擦除E2PROM幾種。若所設計的系統(tǒng)是小批量生產(chǎn)或開發(fā)產(chǎn)品，則建議使用EPROM和E2PROM；若為成熟的大批量產(chǎn)品，則應采用PROM或掩膜ROM。隨機存取存儲器常用來存取實時數(shù)據(jù)、變量和運算結(jié)果?？煞譃殪o態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）兩類。此外，還可以選擇OTPROM、Flash存儲器、FRAM、NVSRAM、用于多處理機系統(tǒng)的DSRAM（雙端口RAM）等。第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（2）選擇合適的存儲容量在MCS-51應用系統(tǒng)所需存儲容量不變的前提下，若所選存儲器本身存儲容量越大，則所用芯片數(shù)量就越少，所需的地址譯碼電路就越簡單。（3）合理分配存儲器地址空間的分配存儲器的地址空間的分配必須滿足存儲器本身的存儲容量，否則會造成存儲器硬件資源的浪費。（4）合理選擇地址譯碼方式可根據(jù)實際應用系統(tǒng)的具體情況選擇線選法、全地址譯碼法、部分地址譯碼法等地址譯碼方式。第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.2.1程序存儲器擴展

當單片機內(nèi)部沒有ROM,或雖有ROM但容量太小時,必須擴展外部程序存儲器方能工作。最常用的ROM器件是EPROM。

1.常用EPROM程序存儲器

EPROM主要是27系列芯片，如:27C64(8K)、27C128(16K)、27C256(32K)、27C512（64K）、27C040(512K)、27C080（1M），一般選擇8KB以上的芯片作為外部程序存儲器。其引腳圖如下圖所示：

第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日引腳符號的含義和功能如下：D7～D0：三態(tài)數(shù)據(jù)總線；A0～Ai：地址輸入線，

：片選信號輸入線；：輸出允許輸入線；VPP：編程電源輸入線；：編程脈沖輸入線；VCC：電源；GND：接地；NC：空引腳。第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2.地址鎖存器

程序存儲器擴展時，還需要地址鎖存器，地址鎖存器常用的有帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373、帶有清除端的74LS273。

74LS373是帶有三態(tài)門的8D鎖存器，當三態(tài)門的使能信號線為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許鎖存器輸出，鎖存控制端為11腳LE，采用下降沿鎖存，控制端可以直接與CPU的地址鎖存控制信號ALE相連。地址鎖存器使用74LS373較多。引腳圖如下頁圖所示。與8051連接電路如下頁圖所示。第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日3．典型擴展電路

MCS-51外擴存儲器時應考慮鎖存器的選擇與連接，譯碼方式，存儲器的選擇與連接。訪問程序存儲器的控制信號有：

ALE----地址鎖存信號；PSEN----片外程序存儲器讀信號

EA----片內(nèi)、外程序存儲器訪問選擇信號，EA=0：僅訪問片外；EA=1：先訪問片內(nèi)，后訪問片外。8051擴展27C64的電路連接方法：數(shù)據(jù)線：P0口接EPROM的D0~D7

；地址線：27C64容量為8KB，需要A0~A12共13根地址線。P0口經(jīng)地址鎖存器后接EPROM的A0~A7

；

為了與片內(nèi)存儲器的空間地址銜接，P2.0～P2.3接EPROM的A8~A11，P2.4經(jīng)非門后與A12連接。控制線：ALE接74HC373的LE，PSEN接EPROM的OE，EA接VCC，只有一片EPROM，片選CE接地。第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日擴展電路如下：

27C64的地址范圍為：1000H～2FFFH。8051片內(nèi)存儲器的范圍為：0000H～0FFFH。第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.超出64KB容量程序存儲器的擴展

MCS-51單片機提供16位地址線，可直接訪問程序存儲器的空間為64KB（216），若系統(tǒng)的程序總?cè)萘啃枨蟪^64KB，可以采用“區(qū)選法”來實現(xiàn)。單片機系統(tǒng)的程序存儲器每個區(qū)為64KB，由系統(tǒng)直接訪問，區(qū)與區(qū)之間的轉(zhuǎn)換通過控制線的方式來實現(xiàn)。如下圖所示為系統(tǒng)擴展128KB程序存儲空間（2×64KB）示意圖。

P1.0輸出高電平，訪問A芯片；

P1.0輸出低電平，訪問B芯片。第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.2.2數(shù)據(jù)存儲器擴展

單片機內(nèi)部的RAM為128B（或256B），有的單片機應用系統(tǒng)需要擴展外部數(shù)據(jù)存儲器RAM(如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大，需要專設RAM或FlashRAM)。最常用的RAM器件是靜態(tài)RAM（SRAM）。1.常用靜態(tài)RAM存儲器

常用的SRAM有6264(8K)、62128(16K)、62256(32K)、628128(128K)等。一般選擇8KB以上的芯片作為外部程序存儲器。其引腳圖如下頁圖所示。第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日引腳符號的含義和功能如下：D7～D0：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線；A0～Ai：地址輸入線；（）：片選信號輸入端，低電平有效；CS2：片選信號輸入端，高電平有效（僅6264芯片有）；：讀選通信號輸入線，低電平有效；：寫選通信號輸入線，低電平有效；Vcc：電源+5V；GND：地。第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)RAM存儲器有三種工作方式：數(shù)據(jù)的讀出、寫入和維持，其操作控制如下表所示。

第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

MCS-51擴展數(shù)據(jù)存儲器與擴展程序存儲器電路的異同：（1）所用的地址總線，數(shù)據(jù)總線完全相同；（2）讀/寫控制線不同：擴展程序存儲器的讀選通信號由PSEN控制，擴展數(shù)據(jù)存儲器的讀、寫控制線用RD、WR分別控制存儲器芯片的OE和WE；（3）數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的地址可以重疊，因為擴展它們的控制信號不同。（4）I/O擴展的地址空間與數(shù)據(jù)存儲器擴展的空間是共用的，所以擴展數(shù)據(jù)存儲器涉及到的問題遠比擴展程序存儲器擴展多。第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2.數(shù)據(jù)存儲器典型擴展電路MCS-51擴展6264的電路連接方法：數(shù)據(jù)線：P0口接RAM的D0~D7；地址線：6264容量為8KB，213=8KB，需要A0～A12共13根地址線。P0口經(jīng)地址鎖存器后接RAM的A0~A7；

P2.0～P2.4接RAM的A8~A12?？刂凭€：ALE接373的LE，RD接RAM的OE、WR接RAM的WE，只有一片RAM，且系統(tǒng)無其他I/O接口及外圍設備擴展，片選CE可以接地。擴展電路如下頁圖所示。第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日6264的地址范圍為：0000H～1FFFH。注意74LS373的OE和RAM6264的CE。第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日[例題]

在上頁圖的數(shù)據(jù)存儲器擴展電路中，將片內(nèi)RAM以50H單元開始的16個數(shù)據(jù)，傳送到片外數(shù)據(jù)存儲器0000H開始的單元中。程序如下：

ORG1000H DMV:MOVR0,#50H;數(shù)據(jù)指針指向片內(nèi)50H單元MOVR7,#16;待傳送數(shù)據(jù)個數(shù)送計數(shù)寄存器MOVDPTR,#0000H;數(shù)據(jù)指針指向數(shù)據(jù)存儲器6264的0000H單元AGN:MOVA,@R0 ;片內(nèi)待輸出的數(shù)據(jù)送累加器A MOVX@DPTR,A ;數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)存儲器6264 INCR0 INCDPTR;修改數(shù)據(jù)指針 DJNZR7,AGN;判斷數(shù)據(jù)是否傳送完成 RET END 第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.2.3MCS-51對外部存儲器的擴展

下圖所示的8031擴展系統(tǒng)中，外擴了16KB程序存儲器（使用兩片2764芯片）和8KB數(shù)據(jù)存儲器（使用一片6264芯片）。采用全地址譯碼方式，P2.7用于控制2―4譯碼器的工作，P2.6,P2.5參加譯碼，且無懸空地址線，無地址重疊現(xiàn)象。1#2764,2#2764,3#6264的地址范圍分別為：0000H～1FFFH,2000H～3FFFH,4000～5FFFH。

第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.2.4程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間的混合

在硬件結(jié)構(gòu)上PSEN將信號和RD信號相“與”后連接到RAM芯片的讀選通端，這樣就能使程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間混合。如右圖所示。將程序裝入6264中，很容易進行讀寫修改，執(zhí)行程序時，由PSEN信號選通RAM讀出。調(diào)試通過后，再將RAM6264調(diào)換成EPROM2764。注意2點：1。程序和數(shù)據(jù)之和不大于存儲器總?cè)萘俊?。程序必須存放在低地址，數(shù)據(jù)存放在高地址。第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.3并行I/O口的擴展

MCS-51單片機具有四個并行8位I/O口（即P0,P1,P2,P3），原理上這四個I/O口均可用做雙向并行I/O接口，但在實際應用中，可提供給用戶使用的I/O口只有P1口和部分P3口線及作為數(shù)據(jù)總線用的P0口。,在單片機的I/O口線不夠用的情況下，可以借助外部器件對I/O口進行擴展?？少Y選用的器件很多，方案也有多種。

4.3.1概述

1.單片機I/O口擴展方法并行I/O口擴展的目的：為外圍設備提供一個輸入輸出通道。（1）并行總線擴展的方法（2）串行口擴展方法這里只介紹總線擴展方式下I/O接口的擴展方法。（3）I/O端口模擬串行方法第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2.MCS-51單片機擴展并行I/O口的擴展性能①訪問擴展I/O口的方法與訪問數(shù)據(jù)存儲器完全相同，使用相

同的指令，所有擴展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。②利用串行口擴展法擴展的外部并行I/O口不占用外部RAM地址空間。③利用并行總線擴展的方法擴展外部并行I/O口時，必須注意P0,P2,P3口的負載問題，若負載能力不夠，必須進行總線驅(qū)動能力擴展。④擴展外部并行I/O口對外設的硬件具有依賴性（驅(qū)動功率、電平匹配、干擾抑制、隔離等）。第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.3.2普通并行I/O口擴展

普通并行I/O口在擴展時，它們的選通端或時鐘信號端要與地址線和控制線的邏輯組合輸出端相連。其特點是電路簡單、成本低、配置靈活方便等特點，應用廣泛。1．擴展并行輸出口

（1）用74LS377擴展并行輸出口

74LS377是帶有輸出允許端的

8D鎖存器，硬件電路如右圖所示。程序如下：

MOVDPTR,#7FFFH ；數(shù)據(jù)指針指向74LS377MOVA,60H;

輸出的60H單元數(shù)據(jù)送累加器AMOVX@DPTR,A;P0口將數(shù)據(jù)通過74LS377輸出第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（2）用74LS374擴展并行輸出口

74LS374是具有三態(tài)輸出的8D邊沿觸發(fā)器，與單片機接口電路如下圖所示，74LS374的地址為7FFFH。

程序如下：MOVDPTR,#7FFFHMOVA,60H MOVX@DPTR,A

第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2．擴展并行輸入口

用單向總線緩沖器74LS244擴展并行輸入口，硬件電路如下圖所示。74LS244的地址為7FFFH。程序如下：MOVDPTR,#7FFFH ;數(shù)據(jù)指針指向74LS244MOVXA,@DPTR ;外部數(shù)據(jù)經(jīng)過74LS244送入累加器AMOV61H,A ;數(shù)據(jù)送61H單元保存

74LS245為同類型的雙向總線緩沖器芯片。第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.3.3可編程并行I/O接口芯片擴展

可編程I/O接口芯片的特點：適應多種功能需求，使用靈活，可擴展多個并行I/O口，可以編程設定為輸入或輸出口，應用非常廣泛。1．可編程并行口8255A芯片

Intel8255A芯片是通用可編程并行接口電路，廣泛應用于單片機擴展并行I/O口。它具有3個8位并行口PA,PB和PC，一個8位的數(shù)據(jù)口D0～D7，PC口分高4位和低4位。高4位可與PA口合為一組(A組),低4位可與PB口合為一組(B組)，PC口可按位置位/復位。40條引腳，DIP封裝。引腳圖如右圖所示。第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（1）8255A的3種工作方式方式0（基本輸入/輸出方式）：不需要任何選通信號，適合于無條件傳輸數(shù)據(jù)的設備，數(shù)據(jù)輸出有鎖存功能，數(shù)據(jù)輸入有緩沖（無鎖存）功能。方式1（選通輸入/輸出方式）：A組包括A口和C口的高四位（PC7～PC4），A口可由程序設定為輸入口或輸出口，C口的高四位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號；B組包括B口和C口的低四位（PC3～PC0），功能和A組相同。方式2（雙向I/O口方式）：僅A口有這種工作方式，B口無此工作方式。此方式下，A口為8位雙向I/O口，C口的PC7～PC3用來作為輸入輸出的控制和同步信號。此時，B口可以工作在方式0或方式1。第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日8255A在不同的工作方式下，各口線的功能如下表所示。

第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（2）8255A的控制操作狀態(tài)

8255A芯片的工作方式是通過地址線A1,A0選擇端口、通過讀寫控制邏輯的組合狀態(tài)來實現(xiàn)的。其操作狀態(tài)如下表所示。

第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（3）8255A芯片的控制字

8255A芯片的初始化編程是通過對控制口寫入控制字的方式實現(xiàn)的。方式控制字：字控制8255A芯片三個端口的工作方式，特征是最高位為1。如下圖所示。第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日

C口的按位置位/復位控制字：C口具有位操作能力，其每一位都可以通過軟件設置為置位或復位。其特征是最高位為0。格式如下圖所示。第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日（4）接口與編程方法

MCS-51單片機外擴8255A芯片的電路原理圖如下圖所示。8255A芯片內(nèi)部已有數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器，可以直接與MCS-51單片機總線相連接（P0口接D0～D7）。8255A的RESET，，，分別與MCS-51單片機的RESET，，相連，接P2.7，單片機地址線最低2位分別接8255A芯片的A1，A0。PA,PB,PC及控制寄存器的地址分別是7FFCH,7FFDH,7FFEH和7FFFH。第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日[例題]如圖上頁所示，假設8255A芯片的PA接8只狀態(tài)指示燈，PB接8個開關，現(xiàn)須將開關閉合的狀態(tài)輸入到片內(nèi)60H單元保存，將70H單元的內(nèi)容送狀態(tài)指示燈顯示，并置位PC7引腳，編寫相應程序。解：根據(jù)題意，設置8255A的A口方式0輸出，B口方式0輸入，C口高四位輸出，則8255A的方式字為82H（10000010B），C口置位/復位字為0FH（00001111B），8255A的方式字及置位/復位控制字地址為7FFFH。初始化過程及輸入/輸出的程序如下：

ORG1000H DSP8255:MOVDPTR,#7FFFH;數(shù)據(jù)指針指向8255A控制口 MOVA,#82H MOVX@DPTR,A ;工作方式字送8255A控制口 MOVA,#0FH MOVX@DPTR,A ;C口置位/復位字送8255A控制口 MOVDPTR,#7FFDH ;數(shù)據(jù)指針指向8255A的B口 MOVXA,@DPTR MOV60H,A ;將B口開關狀態(tài)送入60H單元 MOVDPTR,#7FFCH ;數(shù)據(jù)指針指向8255A的A口 MOVA,70H MOVX@DPTR,A ;70H單元內(nèi)容A口指示燈顯示 RET END第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日2．RAM/IO擴展芯片8155

（1）功能與引腳

8155芯片內(nèi)具有256B的靜態(tài)RAM，2個8位可編程并行I/O口PA、PB，1個6位可編程并行I/O口PC，1個14位計數(shù)器。其特點是接口簡單、內(nèi)部資源豐富、應用廣泛。引腳圖如右圖所示。第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日4.6總線接口擴展

總線種類繁多，可分為局部總線、系統(tǒng)總線和通信總線。通信總線是系統(tǒng)之間或CPU與外設之間進行通信的一組信號線。通信總線接口按電氣標準及協(xié)議來分包括RS-232,RS-422,RS-485,MODEM,USB,IEEE1394,Internet網(wǎng)絡芯片等，它們在不同的領域得到了廣泛的應用。這里主要介紹MCS-51單片機應用系統(tǒng)中常用的通信總線標準及接口。4.6.1EIARS-232C總線標準與接口電路

EIARS-232C是異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，是美國EIA（ElectronicIndustriesAssociation，電子工業(yè)聯(lián)合會）開發(fā)公布的通信協(xié)議。適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20kb/s范圍內(nèi)的通信，包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定。在微機通信接口中被廣泛采用。第四十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期日1.電氣特性（1）采取不平衡傳輸方式，是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通信而設計的；（2）采用負邏輯。（3）適