《單片機(jī)原理、接口與C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》課件第8章

第8章MCS-51系統(tǒng)擴(kuò)展8.1概述

8.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展

8.3I/O口的擴(kuò)展

8.1概述

MCS-51單片機(jī)片內(nèi)集成了CPU、I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、存儲(chǔ)器等計(jì)算機(jī)的基本部件，但在較為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若片內(nèi)資源不夠用，就需要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)擴(kuò)展主要包括外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器、I/O接口和管理功能器件等。

MCS-51單片機(jī)的片外具有如圖8.1所示的三總線結(jié)構(gòu)。圖8.1MCS-51系列單片機(jī)片外總線結(jié)構(gòu)

1.地址總線

地址總線(AddressBus，AB)用于傳送單片機(jī)送出的地址信號(hào)，以便訪問外部存儲(chǔ)器單元或I/O端口。地址總線是單向的，地址信號(hào)只由單片機(jī)向外發(fā)出。地址總線的數(shù)目決定了可直接訪問的存儲(chǔ)器單元的數(shù)目。

MCS-51單片機(jī)的16位地址線的高8位由P2口提供，低8位由P0口提供。P2口作為地址線時(shí)，具有輸出鎖存功能，輸出地址能保留到下一次新地址的輸出。當(dāng)外擴(kuò)存儲(chǔ)器小于64KB時(shí)，只用P2口的其中一部分；當(dāng)外部存儲(chǔ)器小于256B時(shí)，根本不用P2口。P0口作為低8位地址線時(shí)，無地址鎖存功能，需外加地址鎖存器來鎖存輸出的地址信息。地址鎖存的控制由單片機(jī)的地址鎖存控制信號(hào)ALE提供。常用的地址鎖存器有帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373、帶有清除端的74LS273，其引腳圖如圖8.2所示。圖8.274LS373、74LS273引腳圖圖8.374LS373、74LS273與單片機(jī)的連接

2.數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線(DataBus，DB)用于在單片機(jī)與存儲(chǔ)器之間或單片機(jī)與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)與單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的字長一致。例如，MCS-51單片機(jī)是8位字長，所以數(shù)據(jù)總線的位數(shù)也是8位。數(shù)據(jù)總線是雙向的，即可以進(jìn)行兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送。MCS-51單片機(jī)8位的數(shù)據(jù)總線由P0口提供。P0作為數(shù)據(jù)總線時(shí)，不需外加其它芯片。在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，P0口時(shí)分地作為數(shù)據(jù)總線和地址總線。

3.控制總線

控制總線(ControlBus，CB)實(shí)際上就是一組控制信號(hào)線，包括單片機(jī)發(fā)出的以及從其它部件送給單片機(jī)的各種控制或聯(lián)絡(luò)信號(hào)。對(duì)于一條控制信號(hào)線來說，其傳送方向是單向的，但是由不同方向的控制信號(hào)線組合地控制總線則表示為雙向的。系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)用到的控制信號(hào)主要有下列4種。圖8.4MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

8.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展

8.2.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

1.常見程序存儲(chǔ)器芯片

常用的EPROM有2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)、27128(16K×8)、27256(32K×8)、27512(64K×8)等，其中2764的引腳如圖8.5所示，對(duì)應(yīng)的操作如表8.1所示。圖8.52764的引腳圖表8.1對(duì)2764的操作圖8.6單片2764與單片機(jī)的連接圖8.7通過線選法實(shí)現(xiàn)了兩片2764擴(kuò)展成16KB程序存儲(chǔ)器。圖8.7兩片2764與單片機(jī)的連接

3)譯碼法

譯碼法就是利用譯碼器對(duì)系統(tǒng)的高位地址譯碼，以譯碼器的輸出作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)。常用的譯碼器有74LS139(雙2-4譯碼器)和74LS138(3-8譯碼器)等，它們的CMOS型芯片分別是74HC139和74HC138。74LS138的引腳圖如圖8.8所示，其邏輯功能如表8.2所示。譯碼法適用于大容量多芯片存儲(chǔ)器擴(kuò)展。圖8.874LS138的引腳圖表8.274LS138的邏輯功能

對(duì)于74LS138輸入端A2A1A0的不同組合，有唯一的輸出端為低電平，可用該低電平作為存儲(chǔ)器的片選信號(hào)。圖8.9為采用譯碼法實(shí)現(xiàn)4片2764擴(kuò)展成32KB的程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)地址總線P2.7、P2.6和P2.5通過74LS138譯碼器形成4個(gè)2764的片選信號(hào)，譯碼器的輸出端Y0、Y1、Y2和Y3分別與4片2764的片選線相連。譯碼法的特點(diǎn)是每片2764的地址空間是唯一的。圖8.9譯碼法實(shí)現(xiàn)4片2764與MCS-51單片機(jī)的連接圖8.106264的引腳圖表8.36264的操作

2.?RAM的擴(kuò)展

(1)低8位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū)。此區(qū)域?qū)ぶ房臻g為256B。CPU可以使用下列讀/寫指令來訪問此存儲(chǔ)區(qū)：

讀存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)指令：MOVX

A,＠Ri。

寫存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)指令：MOVX＠Ri,A。

由于8位尋址指令字節(jié)少，程序運(yùn)行速度快，所以經(jīng)常被采用。

(2)?16位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)外部RAM容量較大，要訪問RAM地址空間大于256B時(shí)，需要采用如下16位尋址指令：

讀存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)指令：MOVX

A,＠DPTR。

寫存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)指令：MOVX＠DPTR,A。

擴(kuò)展電路如圖8.11所示。圖8.11單片6264與單片機(jī)的連接

3.綜合擴(kuò)展

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常既要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器又要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。采用線選法擴(kuò)展2片2764和2片6264的電路連接圖如圖8.12所示。圖中，P2.5直接接到2764(1)和6264(1)的片選，P2.6直接接到2764(2)和6264(2)的片選。每次保證P2.5和P2.6中僅有一個(gè)為低電平，ROM和RAM各選中一個(gè)。圖8.12ROM和RAM的綜合擴(kuò)展(線選法) 8.3I/O口的擴(kuò)展

8.3.1概述

1.?I/O接口的作用

(1)速度協(xié)調(diào)。外設(shè)的速度快慢差異很大(高速磁盤每秒提供幾十位數(shù)據(jù)，而繼電器幾秒鐘提供不了一位數(shù)據(jù))，所以外設(shè)只能工作于異步方式，即只有外設(shè)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才進(jìn)行I/O操作，所以要在CPU和外設(shè)之間進(jìn)行速度協(xié)調(diào)。

(2)數(shù)據(jù)鎖存。數(shù)據(jù)輸出都要通過公用數(shù)據(jù)總線，且CPU速度很快，數(shù)據(jù)在總線上停留的時(shí)間不能滿足慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)接收要求，需要將輸出的數(shù)據(jù)先放在鎖存器中，所以輸出接口電路應(yīng)包含輸出鎖存器。

(3)三態(tài)緩沖。輸入設(shè)備向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)也要通過公用數(shù)據(jù)總線。為了滿足高速CPU的需要，先將外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)放在輸入緩沖器中，所以輸入接口電路應(yīng)包含三態(tài)緩沖器。

(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要包括ADC、DAC、串/并轉(zhuǎn)換、并/串轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換等。

從上述分析可知，對(duì)MCS-51單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，對(duì)于輸出設(shè)備的接口電路要提供鎖存器，對(duì)輸入設(shè)備的接口電路要提供輸入三態(tài)緩沖電路。

2.?I/O接口的編址方式

I/O接口的編址方式有統(tǒng)一編址方式和獨(dú)立編址方式兩種。統(tǒng)一編址方式是指I/O接口與RAM統(tǒng)一編址，I/O接口共用存儲(chǔ)器的地址空間，每個(gè)I/O端口視為一個(gè)存儲(chǔ)單元，用訪問RAM的指令訪問I/O口。獨(dú)立編址方式是指外部I/O接口有獨(dú)立的地址空間，有專用I/O控制信號(hào)和I/O指令，I/O接口獨(dú)立編址，不占用存儲(chǔ)器的地址空間。MCS-51采用統(tǒng)一編址方式。MCS-51單片機(jī)有片內(nèi)I/O接口和擴(kuò)展I/O接口。片內(nèi)I/O接口寄存器在SFR中，使用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間；擴(kuò)展I/O接口使用片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。

3.單片機(jī)I/O的直接輸入/輸出

在簡單系統(tǒng)中，若用有內(nèi)部存儲(chǔ)器的芯片，則無需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，此時(shí)P0、P1、P2、P3都可以作為通用I/O口使用。由于P0、P1、P2、P3輸入數(shù)據(jù)時(shí)均可以輸入緩沖，輸出時(shí)均可以鎖存，并且具有一定的負(fù)載能力，所以I/O口可以直接接外部設(shè)備，如開關(guān)、發(fā)光二極管、打印機(jī)等。

4.簡單I/O口的擴(kuò)展

簡單I/O口的擴(kuò)展就是指通過數(shù)據(jù)緩沖器和鎖存器來擴(kuò)展I/O口，如用74LS244、74LS245等三態(tài)緩沖器擴(kuò)展輸入口，用74LS273、74LS373等鎖存器擴(kuò)展輸出口。實(shí)際上只要具有輸入三態(tài)、輸出鎖存的電路都可以用作I/O口的擴(kuò)展。

圖8.13是用74LS244和74LS373擴(kuò)展I/O口的電路圖。圖8.13用74LS244和74LS373擴(kuò)展I/O口

74LS244是一種8位的三態(tài)緩沖器，其引腳如圖8.14(a)所示。74LS373是有8個(gè)輸入端D0～D7，8個(gè)輸出端Q0～Q7的鎖存器，其引腳如圖8.14(b)所示。圖8.1474LS244緩沖器和74LS373鎖存器引腳8.3.2可編程芯片8155

1.?8155的結(jié)構(gòu)與引腳

8155采用40引腳，雙列直插式封裝，單一+5V電源供電，其引腳排列如圖8.15所示，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8.16所示。圖8.158155引腳圖圖8.168155邏輯結(jié)構(gòu)圖表8.48155的RAM和I/O口地址分配

3.?8155寄存器

8155內(nèi)部共有6個(gè)寄存器。其中，命令寄存器(只寫)和狀態(tài)寄存器(只讀)共用一個(gè)地址×××××000B，故稱命令/狀態(tài)寄存器，由讀/寫指令來區(qū)別；定時(shí)器寄存器的高8位和低8位各有其地址，為×××××101B和×××××100B。

1)命令寄存器

命令寄存器只能寫，不能讀。可以把一個(gè)命令寫入×××××000B地址中改變命令寄存器的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)編程,即控制I/O接口的工作方式和數(shù)據(jù)流向。命令寄存器的格式及功能如圖8.17所示。圖8.17命令寄存器的格式及功能

2)狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器只能讀出，不能寫入，包含7位，其中6位用于表示A口和B口的狀態(tài)，1位表示定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器的位格式如圖8.18所示。圖8.18狀態(tài)寄存器位格式

3)?PA、PB寄存器

PA、PB寄存器的引腳分別為PA0～PA7、PB0～PB7，地址分別為×××××001B、×××××010B。PA、PB寄存器的功能是按照命令寄存器的內(nèi)容對(duì)PA、PB口的工作方式進(jìn)行控制。

4)?PC寄存器

PC寄存器的引腳為PC0～PC5，地址為×××××011B,由命令寄存器的內(nèi)容對(duì)PC口的工作方式進(jìn)行控制。PC口的工作方式如表8.5所示。表8.5PC口的工作方式

5)?8155的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

8155片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是一個(gè)14位的減計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器分為高6位和低8位寄存器，高字節(jié)地址為×××××101B，低字節(jié)地址為×××××100B，其格式如圖8.19所示。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值由程序預(yù)置，