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单片机原理及其应用

单片机原理及其应用. (Principle and Application of Single Chip Microcomputer). 第 1 章 概述 第 2 章 MCS-51 单片机硬件结构 第 3 章 MCS-51 寻址方式和指令系统 第 4 章 MCS-51 汇编程序设计 第 5 章 中断系统 第 6 章 定时器 / 计数器及串行口 第 7 章 存储器扩展 第 8 章 接口电路扩展 第 9 章 应用举例. 7.1 MCS-51 单片机系统扩展的基本概念 7.2 存储器地址空间分配 7.3 程序存储器扩展技术

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单片机原理及其应用

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  1. 单片机原理及其应用 (Principle and Application of Single Chip Microcomputer)

  2. 第1章 概述 第2章 MCS-51单片机硬件结构 第3章 MCS-51寻址方式和指令系统 第4章 MCS-51汇编程序设计 第5章 中断系统 第6章 定时器/计数器及串行口 第7章 存储器扩展 第8章 接口电路扩展 第9章 应用举例

  3. 7.1 MCS-51单片机系统扩展的基本概念 7.2 存储器地址空间分配 7.3 程序存储器扩展技术 7.4 数据存储器扩展技术 7.5 存储器混合扩展技术 7.6 E2PROM的扩展技术 7.7 输入/输出口扩展技术 第7章MCS-51单片机系统扩展技术

  4. 7.1.1 MCS-51单片机最小应用系统 7.1.2 MCS-51单片机的外部扩展性能 7.1 MCS-51单片机系统扩展的基本概念

  5. 1．8051/89C51最小应用系统 由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小 型的控制单元。其应用特点是： （1）全部I/O口线均可供用户使用。 （2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。 （3）应用系统开发具有特殊性。 7.1.1 MCS-51单片机最小应用系统 图7-1 8051/89C51 最小应用系统

  6. 2．8031最小应用系统 8031片内无程序存储器，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。图7-2为用8031外接程序存储器构成的最小系统。 对于89C51等来讲，程序存储器一般不用扩展。数据存储器及I/O接口有时还是需要扩展的。 PSEN 图7-2 8031最小应用系统

  7. 1．MCS-51单片机的片外总线结构 MCS-51单片机片外引脚可以构成如图7-3所示的三总线结 构： 所有外部芯片都通过这三组总线进行扩展。 图7-3 MCS-51系统扩展 7.1.2 MCS-51单片机的外部扩展性能 哈佛结构：程序存储器与数据存储器空间独立 冯·诺伊曼结构（普林斯顿结构）：程序存储器与数 据存储器空间合用

  8. 2. 构造系统总线 图7-4 8031单片机总线构造

  9. 图7-5 地址总线扩展 （1）P0口作为低8位地址/数据总线 （2）P2口作为高8位地址总线

  10. （3）控制总线 ALE: 低8位地址锁存信号 /PSEN: 程序存储器读信号 /EA: 内/外部程序存储器选择信号 /RD: 外部数据存储器读信号 /WR: 外部数据存储器写信号

  11. 3．MCS-51单片机的系统扩展能力 * 当系统要大量配置外围设备(扩展较多的I/O口)时，将占去很多的RAM地址。 * 串行扩展技术：用并行3总线扩展是单片机应用中的主要方法。但是，扩展时的连线多，器件占据电路板空间较大。串行接口器件体积小，连线少（3－4根），可以简化器件的连接。串行接口有三线的SPI, 双线的 I2C。 * 当应用系统存储扩展容量或扩展I/O口地址超过单片机地址总线范围时，可用换体法解决。如图7-6所示。

  12. 1Y0 32kB P2.7 1G P1.0 1Y1 32kB 1Y2 32kB 1Y3 1A 32kB 1B 图7-6 用I/O线来控制片外存储器换体

  13. 7.2.1 存储器读写控制 EPROM: 只读，读引脚 /OE 通常接 /PSEN。 RAM: 可读可写，读引脚 /OE 接 /RD, 写引脚 /WE 接 /WR。 7.2 存储器地址空间分配 7.2.2 存储器地址空间分配 扩展多片存储器、I/O接口：区分各个存储器芯片和接口芯 片是单片机扩展应用时要解决的问题。 存储空间的分配，使一个存储单元对应一个地址, 把ROM、 RAM、I/O分配在不同的地址范围。

  14. 1）线选法扩展存储器 单个存储器芯片容量小于存储空间容量时，选存储单元分为选片和选片内单元两种选择。通常用地址高位选片子(片选)，地址低位作片内单元选择。 片选信号是对地址总线进行译码获得的。 译码方法有: 线(性)选法 和 (地址)译码法两种形式。 线选法：直接用高位地址作为存储器（I/O芯片）的片选信号。把选中的地址线与存储器的片选端相连即可。 优点：电路简单、不用地址译码芯片。缺点：可寻址的器件数目受限、地址空间不连续、存储单元地址不唯一，只用于简单的系统。

  15. 某单片机系统需扩展8KB的EPROM(2732×2), 4KB的 RAM(6116×2)。地址连线见下图。 图7-7 线选法举例 2732有12根地址线，6116有11根地址线，连接低位地址。各片的片选端接分别接高四位地址。

  16. 地址范围确定 P2.7P2.0 2732(1): 0 1 1 1-0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (7000H) 0 1 1 1-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (7FFFH) P2.6 P2.0 2732(2): 1 0 1 1-0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (B000H) 1 0 1 1-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (BFFFH) P2.4 P2.0 6116(1): 1 1 1 0-0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (E000H) 1 1 1 0-0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (E7FFH) P2.4P2.0 6116(1): 1 1 1 0-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (E800H) 1 1 1 0-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (EFFFH) 6116(2): (D000H~D7FFH) (D800H~DFFFH)

  17. 2）译码法扩展存储器 用译码器对高位地址进行译码，分配存储空间。译码器输出作为芯片的片选信号。它能有效利用存储空间，适用于大容量多芯片存储器扩展。 常用译码器芯片：74LS138(3-8译码器）

  18. 扩展8片8KB的RAM6264, 只需将64KB分成8个8KB空间。 图7-8 64KB地址空间分配 图中可见所有的地址线都参与了地址译码，称 为全地址译码。各个存储单元有惟一的地址。

  19. 如何把64KB划分成每块4KB的空间？ 4×8＝32KB, 需15根地址参加译码。12根用于片 内单元译码，3根用于片选译码。P2.7未参与译码， 但它决定了选择前32KB还是后32KB。可能造成空间重 叠。 下图用P2.7控制138，选择了前32KB空间。 图7-9 32KB地址空间分配

  20. 1.74LS373 74LS373是三态8D锁存器。 锁存 图7-10 373引脚与结构 图7-11 573引脚 7.2.2 外部地址锁存器 /OE: 输出允许 G: 输入锁存选通 2. 74LS573 功能与74LS373一 样，引脚排列不同。

  21. 7.3.1 程序存储器简介 7.3.2 程序存储器操作时序 7.3.3 EPROM扩展电路 7.3 程序存储器扩展技术

  22. 1. 程序存储器的类型 程序存储器一般在工作时是只读的（ROM) (1) 掩模ROM (2) PROM 仅用于批量生产。 仅一次可编程。 (3) EPROM 可多次编程，紫外线擦除。 (4) E2PROM 可多次编程, 电擦除。写入速度慢。 (5) Flash ROM 可多次编程, 电擦除。写入速度快。可替代 E2PROM。很多单片机已将Flash ROM做在片内。 7.3.1 程序存储器简介

  23. 27系列 2. 常用EPROM芯片 Vcc: 工作电压 Vpp: 编程电压 Im: 最大静态电流 Is: 维持电流 TRM: 最大读取时间

  24. /CE: 片选 /OE: 输出允许 读出：/CE=0 ，未选中： /CE=1， /OE＝X 图7-12 常用EPROM芯片引脚图

  25. /PSEN接EPROM的/OE端。 每机器周期，ALE出现两次，下降沿锁存PCL。 /PSEN变低时，读入指令。 图7-13 外部程序存储器操作时序 7.3.2 程序存储器操作时序

  26. /PSEN接EPROM的/OE端。 第一个机器周期S2时, ALE下降沿锁存PCL。S3时，读入指 令。S5时 ALE下降沿锁存低数据地址。第二个机器周期总线 给数据存储器用。 执行一次MOVX指令将丢失一次ALE脉冲。 图7-14 外部程序存储器操作时序

  27. G OE 7.3.3 EPROM扩展电路 1．2764A EPROM扩展电路 图7-15 2764 EPROM扩展电路 地址范围：0 0000 0000 0000H~1 1111 1111 1111H=0000H~1FFFH

  28. 图7-16 27128 EPROM扩展电路 2．27128 EPROM扩展电路 地址范围：00 0000 0000 0000H~11 1111 1111 1111H=0000H~3FFFH

  29. 地址分配：27128(1) : 0000H~3FFFH 27128(2) : 4000H~7FFFH 27128(3) : 8000H~BFFFH 27128(4) : C000H~FFFFH (4) (2) (1) (3) 图7-17 多片EPROM扩展电路 3．四片27128 EPROM扩展电路

  30. 7.4.1 常用静态RAM芯片 7.4.2 数据存储器操作时序 7.4.3 静态RAM扩展电路 7.4 数据存储器扩展

  31. 图7-18 常用RAM引脚图 7.4.1 常用静态RAM芯片 常用的静态RAM芯片有6116(2k×8)，6264(8k×8)， 62128 (16k×8)，62256(32k*8)等。 /CE: 片选 /OE: 读选通 /WE: 写允许 CS: 6264片选

  32. 第二机器周期 第一机器周期 S1 S3 S4 S6 S2 S5 7.4.2 数据存储器操作时序 1. ALE高电平期间，地址变为有效。下降沿锁存低8位地址。 2. 在第一周期S6状态,P0浮空。 3. 在第二周期S1状态起，/RD有效。存储器指定地址单元送出数据，进入P0。S2状态CPU读入数据。 4. S3状态末 /RD变无效。 图7-19 片外RAM操作时序

  33. 1. ALE高电平期间，地址变为有效。下降沿锁存低8位地址。 2. 在第一周期S6状态,P0浮空。 3. 在第二周期S1状态起，/WR有效。CPU输出数据到P0，在地址译码和/WR作用下，P0上数据进入相应的存储单元。 4. S3状态末 /WR变无效。 图7-20 片外RAM操作时序

  34. 7.4.3 静态RAM扩展电路 1．单片6264静态RAM扩展 图7-21 6264扩展图 地址范围：0××0 0000 0000 0000H~0××1 11111111 1111H 0000H~1FFFH, 2000H~3FFFH ……

  35. IC1地址：1100 0000 0000 0000~1101 1111 1111 1111 (C000H~DFFFH) IC2地址：1010 0000 0000 0000~1011 1111 1111 1111 (A000H~BFFFH) IC3地址：0110 0000 0000 0000~0111 1111 1111 1111 (6000H~7FFFH) 图7-22 线选法3片6264扩展图 2．多片6264静态RAM扩展

  36. IC1地址: 00000000 0000 0000~0011 1111 1111 1111 (0000H~3FFFH) IC2地址: 01000000 0000 0000~0111 1111 1111 1111 (4000H~7FFFH) IC3地址: 10000000 0000 0000~1011 1111 1111 1111 (8000H~BFFFH) IC4地址: 11000000 0000 0000~1111 1111 1111 1111 (C000H~FFFFH) 图7-23 译码器法片外存储器扩展图 3．多片62128静态RAM扩展

  37. 7.5 存储器混合扩展技术 前面分别介绍了程序存储器和数据存储器的单独扩展技术。在实际应用中往往ROM和RAM都要扩展。 ROM读用/PSEN控制，RAM读写用/RD和/WR控制。 1. 线选法扩展2片6264和2片2764 选片直接用高位地址。 2. 译码法扩展2片6264和2片2764 选片用译码器的输出。

  38. 图7-24 片外存储器综合扩展图（线选法） 2764(1)地址： x100 0000 0000 0000～x101 1111 1111 1111 2764(2)地址： x010 0000 0000 0000～x011 1111 1111 1111 6264(1)地址： x100 0000 0000 0000～x101 1111 1111 1111 6264(2)地址： x010 0000 0000 0000～x011 1111 1111 1111

  39. 2764(1)地址: 0000000000000000 ~00011111 11111111 2764(2)地址: 0010000000000000 ~0011111111111111 6264(3)地址: 0100000000000000 ~0101111111111111 6264(4)地址: 0110000000000000 ~0111111111111111 图7-25 片外存储器综合扩展图（译码器法）

  40. （1）ROM读指令 复位，PC=0000H。 取指令期间，PCL送P0, 经373锁存得地址A7~A0，直连2764低8位地址。PCH送P2得地址A15~A8。其中A12~A8与2764相应地址直连，A15~A13接译码器。 0000H地址选中2764(1)的第一个地址，当/PSEN有效时，程序代码就从P0口读到单片机的指令译码器，进行译码，决定作何种操作。 此后PC自动加一，取下一个单元的程序代码。 3. 外扩存储器电路工作原理

  41. （2）RAM读写 在使用‘MOVX’类指令时，就是对外部RAM进行读写。 例 MOV DPTR, #5000H MOVX A, @DPTR MOV 50H, A 执行第二条指令时，DPL送P0, 并被373锁存，DPH送P2。根据译码器以及片内译码选中6264(1)的5000H单元，当/RD有效时，5000H单元的内容进入P0, 并送到A。 MOVX @DPTR, A 是执行存储器写，与存储器读的过程类似。 MOVX A, @Ri 和 MOVX @Ri, A也是执行对外部RAM读写。Ri的内容送P0，形成低8位地址，P2口的内容形成高位地址。

  42. 【例7-1】(8-4) 编程将程序存储器TAB为首地址的32个单元内容依次传送到外部RAM7000H开始的区域。 MOV P2, #70H ；外部RAM高8位地址 MOV DPTR, #TAB MOV R0, #0 AGIN: MOV A, R0 ；查表偏移量 MOVC A, @A+DPTR MOVX @R0, A ；存入外部RAM INC R0 CJNE R0, #32, AGIN HERE: SJMP HERE TAB: DB …,…

  43. E2PROM是一种电擦除可编程只读存储器，其主要 特点是能在线擦除和改写，并在断电的情况下保持 修改的结果。在智能化仪器、仪表、控制装置等领域 得到普遍采用。 E2PROM既可当ROM用也可作RAM用。与RAM比， 写入速度很慢。擦除/写入寿命有限。 常用的E2PROM芯片主要有Intel 2816/2816A, 2817/2817A、2864A等。 7.6 E2PROM扩展技术

  44. /CE: 片选 /OE: 输出允许 /WE: 写允许 RDY/BUSY:写入状态 图7-26 常用E2PROM引脚图

  45. 特性：写入字节时自动擦除。 写入期间， RDY/BUSY 变低，数据线呈现高阻态。 1．2817A E2PROM扩展 写操作时忙(16ms) 图7-27 2817A 引脚图

  46. 图7-28 2817A 与8031 接口图 地址范围：0××××000 0000 0000H~0××××1111111 1111H 0000H~07FFH, 0800H~0FFFH ……

  47. WR1: MOV DPL, R3 MOV DPH, R4 MOVX A, @DPTR ；取源数据 INC DPTR MOV R3, DPL ；保存源数据指针 MOV R4, DPH MOV DPL, R1 ; 取2817A地址 MOV DPH, R2 MOVX @DPTR, A ；写入2817A WAIT: JNB P1.0, WAIT；等待字节写完 INC DPTR MOV R1, DPL ;保存2817A地址 MOV R2, DPH DJNZ R0, WR1 ；未完，继续 RET 子程序入口参数： R0: 写入的字节数 R2R1: 2817A地址 R4R3: 源数据地址 对2817A写操作的程序

  48. 2．2864A E2PROM 扩展 图7-29 2864A 引脚图

  49. 2864A有四种工作方式： （1）维持方式：/CE=1, 进入低功耗维持, 数据线呈高阻态。 （2）读出方式：/CE=0, /OE=0, /WE=1, 与普通存储器相同。 （3）写入方式：页写入(16字节/页)，数据先写入页缓冲器(页 装载)，满后再写到相应地址单元(页存储)。 芯片要求写入一字节数据的时间: 3us < TBLW < 20us。这个时间由限时定时器计算，在每个/WE下降沿开始启动。一旦装载完毕，没有了/WE信号，限时定时器溢出，页存储操作开始。 字节写入 （4）数据查询方式：软件检测页存储周期是否完成。 在页存储期间，执行读2864A操作，读出的是最后写入的字节。若页存储未完成，读出的数据最高位是写入字节最高位的反码。

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