本章学习目标 ： 了解单片机系统扩展的意义，常用存储器的应用 特点和存储器扩展的基本方法 理解 I/O 接口的作用，熟悉常用 I/O 接口的功能和用法

1. 第6章 80C51 的系统扩展 • 本章学习目标 ： • 了解单片机系统扩展的意义，常用存储器的应用 特点和存储器扩展的基本方法 • 理解I/O接口的作用，熟悉常用I/O接口的功能和用法 • 了解8155的工作方式及与80C51的接口方法，能读懂教材中8155的控制实例熟悉中断优先控制的方法 • 熟练掌握LED数码管的显示原理及与80C51的接口方法，能独立编写与教材同等难度的LED数码管控制程序 • 熟练掌握LED点矩阵显示器的显示原理及驱动方法，借助资料独立编写与教材同等难度的LED点矩阵显示器控制程序 • 熟悉独立式按键和矩阵式键盘的结构特点，借助资料独立编写与教材同等难度的控制程序

2. 6.1系统扩展概述 6.1.1 系统扩展的概念 80C51单片机中已经集成了CPU、I/O口、定时器、中断系统、存储器等计算机的基本部件（即系统资源），使用非常方便，应用于小型控制系统已经足够了。但要构成较为复杂的应用系统，有时会感到以上资源中的一种或几种不够用，这就需要在80C51芯片外再扩展相应的芯片或电路，使相关功能得以扩充，我们称之为系统扩展（即系统资源的扩充）。

3. 6.1.2扩展系统总线结构 单片机系统扩展有并行扩展和串行扩展两种方法。并行扩展通过单片机的三总线(AB、DB、CB)来实现；串行扩展是利用SPI三总线和I2C双总线的串行系统扩展。 SPI三线同步总线： 串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其它事务。

4. 单片机外部并行扩展的总线结构 单片机外部并行扩展以单片机为核心，通过系统总线挂接存储芯片或I/O芯片来实现。挂接存储器芯片就是存储器扩展，挂接I/O接口芯片就是I/O扩展。扩展系统总线结构如图6-1所示。 图6-1 扩展系统总线结构

5. 1．地址总线AB（Address Bus） 地址总线用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和I/O端口的选择。地址总线的位数决定着可访问的存储器或I/O口的容量。80C51单片机有16条地址线。所以能寻址64KB空间。 80C51单片机的16位地址线分为两部分： • 高8位地址线：由P2 口提供； • 低8位地址线：由P0 口提供。 由于P0口是低8位地址和8位数据的复用线，因此必须外接锁存器，用于将先发送出去的低8位地址锁存起来，然后才能传送数据。需要注意：P0、P2口在系统扩展中用作地址线后就不能作为一般I/O口使用。

6. 2．数据总线DB (Data Bus) 数据总线用于在单片机与存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据。数据总线是双向的，可以进行两个方向的数据传送。 80C51单片机数据总线为8位，由P0口提供。在数据总线上可以连接多个外围芯片，但在某一时刻只能有一个有效的数据传送通道。

7. 3．控制总线CB (Control Bus) 控制总线实质上是一组控制信号线，用于协调单片机与外围芯片间的联系。在对80C51进行系统扩展时用到的控制信号有：地址锁存允许信号ALE、外部程序存储器读选通信号 、外部存储器访问允许信号 、外部数据存储器读／写选通信号 、 等。

8. 6.2存储器扩展 存储器是用来存放程序和数据的，它由专用的存储芯片构成。80C51单片机的程序存储器和数据存储器相互独立，均为64KB，其控制信号也各自独立。 存储器扩展的内容包括：存储器的地址线与单片机的地址线间的连接、相应数据线间的连接和控制线间的连接等。

9. 6.2.1存储器的分类 存储器的分类方法较多: 如果按存储器所处位置划分，可分为片内存储器和片外存储器； 根据用途不同，可分为程序存储器和数据存储器； 按照存取方式和使用功能，可分为随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）和只读存储器（Read Only Memory，简称ROM）。

10. 1.随机存取存储器RAM ⑴特点 • 可以将数据任意读出和写入； • 存储的信息不稳定，一旦掉电就会丢失dvnamis。 由于RAM的读写操作方便，所以常用作数据存储器 ⑵分类

11. 2.只读存储器ROM ⑴特点 • 编入程序或写入数据后只能读出不能写入（指单片机在 正常工作状态下）； • 掉电以后所存内容不会丢失，通电后照常能够使用。因 此常用作程序存储器。 ⑵分类 根据结构和工艺不同，ROM可分为以下几种：

12. 掩模ROM • 可编程的PROM（Programmable ROM） • 紫外线可擦除可编程的EPROM（Erasable Programmable ROM） • 电可擦除可编程的EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM） • 闪速存储器Flash

13. 表6-1是半导体存储器的分类和性能对照表。 注：“自动”指断电或写入数据时，原有数据自动擦除

14. 6.2.2 常用存储器扩展芯片 扩展程序存储器一般采用掉电信息不丢失的ROM类芯片，如EPROM和EEPROM；扩展数据存储器一般采用RAM类芯片，如静态RAM 6116、6264、62256等。 目前扩展存储器以EEPROM的使用最为普遍，它既能用作程序存储器，又能用作数据存储器。常用的EEPROM芯片主要有Intel 2817A、2864A等。 图6-2 Intel 2864A的引脚

15. 以2864A为例说明，其结构如图6-2所示。其中A0～A12为地址线；I/O0～I/O7为双向数据线； 为片选信号线； 为输出允许信号线； 为写信号线。

16. 6.2.3 扩展EEPROM程序存储器 图6-3 80C51单片机扩展程序存储器2864A的硬件连接图

17. 由图6-3可知此时2864A用作程序存储器，在一般情况下，不需要向里面写入数据，只进行程序的读出操作，因此在接线时，将80C51的 信号直接与2864A的 引脚相连，当单片机需要从外部程序存储器读取程序时， 引脚为低电平，根据P2口和P0口提供的地址，2864A中相应的存储信息（指令的机器代码）就能从程序存储器中取出。

18. 表6-3 74LS373的真值表 图6-4 74LS373的位结构简图 图6-4所示。表6-3列出了74LS373的真值表。在这种连接方式下，2864A的地址范围是0000H～1FFFH（未与2864A连接的A15、A14、A13视为0）。 〈想一想〉如果将未与2864A连接的A15、A14、A13视为1，2864A的地址范围又是什么？

19. 6.2.4扩展EEPROM数据存储器 1.硬件电路 图6-5是2864A与80C51单片机的硬件连接图，这时2864A用作数据存储器。在图中，2864A的片选 与80C51的P2.5相连，作为最高位地址A13，且要一直保持有效状态。由于2864A为8K容量，本身具有13条地址线，所以该扩展系统共有14条地址线A0～A13。其中的低8位地址线通过74LS373对80C51的P0 口地址锁存后得到。2864A的 （数据读出控制）与 （数据写入控制）分别受80C51的 、 引脚控制。数据口线I/O0～I/O7直接与80C51的数据口P0 相连。在这种连接方式下，2864A的地址范围是0000H～1FFFH（未与2864A连接的A15、A14视为0）。

20. 图6-5 80C51单片机扩展数据存储器2864A的硬件连接图 〈想一想〉如果将未与2864A连接的多余地址线视为1，2864A的地址范围又是什么？

21. 2．读写操作 80C51访问EEPROM时采用如下指令完成读写操作： MOVX @ DPTR，A ；将A中内容写入EEPROM 或 MOVX A ，@DPTR ；将EEPROM中内容读入A中 需要说明，由于EEPROM的数据写入时间较长，因此在对EEPROM的某一单元执行了写数据操作后，一般需要延时20ms左右的时间才能对下一单元进行写操作。所以在“MOVX @DPTR，A ”指令后常加一条软件延时20ms的调用子程序语句“LCALL DELAY20”。

22. 6.2.5存储器的综合扩展 有时在一个系统中既要扩展程序存储器，又要扩展数据存储器，这就是综合扩展。 1．单个芯片扩程序存储器和数据存储器80C51单片机的程序存储器和数据存储器虽然彼此独立，但我们可以用一定的控制电路对它们统一编址，此时数据存储器、程序存储器和I/O共同占用64KB的存储空间。如果系统对程序存储器和数据存储器的容量需求不大，可以只扩展一片EEPROM，对其内部空间进行合理划分，将某一区域定义为程序存储空间，其它区域设为数据存储空间。电路如图6-6 所示。

23. 图6- 6 存储器综合扩展电路

24. 在图中，将80C51的 （从数据存储器中读数据）、 （选通程序存储器）信号相与后接入2864A的 引脚。这样，当 或 信号有一个为低电平时，就能从存储器中读取相应的数据或程序。 （1）读程序 由于硬件连接使 =0，所以单片机自动读取外部程序存储器。因此要求用户在编制程序时要将程序存储区和数据存储区划分清楚（伪指令ORG规定程序存储器地址，指针DPTR指示数据存储器地址），存储程序时不要占用数据存储区。

25. （2）读/写数据存储器 80C51读数据，是由指令性质决定的。当执行“MOVX A，@DPTR”指令时，CPU时序使 引脚输出低电平，于是2864A的 引脚也为低电平，相应数据存储单元的数据会出现在数据线上，80C51读入该数据，存在累加器A中。 同理，80C51要执行写操作时，CPU时序使单片机的 引脚输出低电平，可以对2864A执行写操作。

26. 该扩展电路的寻址范围是0000H～1FFFH（未与2864A连接的A15、A14、A13视为0）。如设定其中0000H～0FFFH是程序存储区；1000H～1FFFH是数据存储区。为防止误将数据写入程序存储区，可采用图6-7所示的写保护电路。此时，单片机的P2.4引脚一路接写保护电路，另一路接2864A最高位地址线A12。此时0000H～0FFFH只能读出不能写入。该扩展电路的寻址范围是0000H～1FFFH（未与2864A连接的A15、A14、A13视为0）。如设定其中0000H～0FFFH是程序存储区；1000H～1FFFH是数据存储区。为防止误将数据写入程序存储区，可采用图6-7所示的写保护电路。此时，单片机的P2.4引脚一路接写保护电路，另一路接2864A最高位地址线A12。此时0000H～0FFFH只能读出不能写入。 〈想一想〉如果将未与2864A连接的多余地址线视为1，2864A的地址范围又是什么？ 图6-7 写保护电路

27. 2．多个芯片扩程序存储器和数据存储器 当一块芯片的容量不够时，我们还可以用多块芯片来扩展程序存储器和数据存储器。这时常采用译码器产生各个芯片的片选信号，常用的译码器有74LS138（3–8线）、74LS139（双2–4线），其引脚图见附录C。 下面以74LS138为例来进行扩展，74LS138的工作条件是4、5引脚接低电平，6引脚接高电平。C、B、A引脚输入不同数值时，对应 ～ 某一引脚输出0，如CBA=110时，其对应的十进制数是6，所以 引脚输出0，其它引脚输出1，当CBA=111时， 输出0，其余与此类似。图6-8给出了三块芯片的存储器扩展图，其中6264是RAM芯片，其引脚和读写与2864类似，在此不详细描述，其地址空间分配情况见表6-4，其中①号芯片是数据存储器，②③号芯片是程序存储器。

28. 图6-8 多芯片程序存储器和数据存储器扩展

29. 表6-4 芯片起止地址分析表

30. 6.3 并行I/O口扩展 6.3.1 I/0接口简介 CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。

31. I/O接口的任务是通过系统总线实现80C51单片机与I/O电路和外围设备的联系，按照芯片能否实现编程，I/O接口通常分为两类： • 不可编程I/O接口芯片 通常是一些锁存器或驱动器， 如74LS273、74LS373和 74LS244等； • 可编程I/O接口芯片 能够通过CPU输入不同的命令和参 数，并控制相关的I/O电路或外设作相应的操作，如并 行接口芯片8155、8255和8279等。

32. 80C51单片机的I/O口线共有32条，但P3口是多用途的，若用作第二功能时，就不能作一般I/O口线；在进行存储器扩展时，P0和P2也不能作I/O口。这样，在极端情况下，只有P１口的8根线可供用户作I/O口线使用。因此，在实际应用系统中，往往需要扩展I/O口。通常有简单扩展和使用可编程接口芯片来扩展两种途径。80C51单片机的I/O口线共有32条，但P3口是多用途的，若用作第二功能时，就不能作一般I/O口线；在进行存储器扩展时，P0和P2也不能作I/O口。这样，在极端情况下，只有P１口的8根线可供用户作I/O口线使用。因此，在实际应用系统中，往往需要扩展I/O口。通常有简单扩展和使用可编程接口芯片来扩展两种途径。

33. 6.3.2并行I/O口的简单扩展 1．扩展方法 类似于扩展数据存储器，即把每一个I/O端口当作一个片外数据存储器单元，给它分配存储空间的一个地址。直接使用访问片外数据存储器的指令（MOVX指令）来访问扩展的I/O口。但当应用系统扩展较多的I/O口时，将会占去大量的RAM地址。 原则上说，I/O口的扩展容量最多可达64KB，但实际上并不需要这么多。

34. 2．简单的I/O口扩展实例 扩展数量不多且功能简单的I/O口，常采用TTL电路或CMOS电路锁存器、三态缓冲器。以如图6- 9 所示电路为例，要求按下任意一个键时，点亮对应的发光二极管。 图6- 9 并行I/O口的简单扩展

35. 在该系统中，采用双4位三态门电路74LS244作扩展输入，8位锁存器74LS273作扩展输出。P0口为双向数据线，既能从74LS244输入数据，又能将控制状态传送给74LS273输出。在该系统中，采用双4位三态门电路74LS244作扩展输入，8位锁存器74LS273作扩展输出。P0口为双向数据线，既能从74LS244输入数据，又能将控制状态传送给74LS273输出。 74LS244的位结构简图见图6-10。表6-5给出了74LS244的逻辑功能表。 表6-5 74LS244的逻辑功能表 图6-10 74LS244的位结构简图

36. 图6-11 74LS273的位结构简图 表6-6 74LS273的逻辑功能表 图6-11是74LS273的位结构简图，表6-6是74LS273的逻辑功能表。 输入控制信号由P2.0和 合成，当二者同时为低电平0时，或门输出为0，选通74LS244，将外部开关状态作为数据输入到总线。当无键按下时，输入为全1；若按下某键，则相应输入端输入0。

37. 输出控制信号由P2.0和 合成，当P2.0=0， 出现负脉冲时，该负脉冲的上升沿。选通74LS273，将P0口数据锁存到74LS273，用来控制发光二极管的亮灭。由图可见，当某条数据线上输出低电平0时，该线上的LED发光。 显然，输入和输出都是在P2.0=0时有效，二者的口地址同为0FEFFH，但因分别是由 和 信号控制，故不会发生冲突。参考程序如下： LOOP： MOV DPTR，#0FEFFH ；指向扩展I/O口地址 MOVX A，@DPTR ；从244读入数据， 检测开关状态 MOVX @DPTR，A ；向273输出数据，驱 动LED AJMP LOOP ；循环检测 除74LS273、74LS244以外，还可用74LS373、74LS377等芯片扩展80C51的I/O口。

38. 6.3.3 可编程I/O扩展芯片8155 采用可编程接口芯片来扩展I/O口，可以完成复杂的接口功能，如扩展并行I/O口采用8255、8155，扩展串行I/O口采用8251，扩展定时/计数器采用8253等。8155是单片机常用的接口扩展芯片。其内部含有256B的静态RAM，2个8位的并行I/O接口，1个6位的并行I/O接口和1个14位的定时/计数器。8155与80C51系列单片机的连接非常简单。

39. 1．8155的结构和技术性能 (1) 内部结构 8155芯片采用40脚双列直插式封装，其引脚和内部结构如图6-12所示。从图中不难看出，在8155内部具有: • 256字节的静态RAM，存取时间为400ns • 3个通用的输入/输出口PA、PB、PC • 1个14位的可编程定时/计数器。 • 1个8位命令寄存器（只能写入）/8位状态寄存器（只 能读出） (2) 引脚介绍

40. 图6-12 8155引脚和内部结构图

41. 2．8155的工作方式与地址编码 8155能工作于以下3种方式： ⑴作80C51单片机片外256字节RAM使用。条件是IO/＝0，这时CPU对8155的256B的RAM单元寻址。 ⑵作扩展I/O口使用。条件是IO/＝1。这时8155片内的3个I/O接口及命令/状态寄存器被选中。 ⑶作14位定时/计数器使用。条件是IO/＝1。由于I/O接口、命令/状态寄存器和定时/计数器各自对应的口地址不同，因此不会发生冲突。

42. 8155内部寄存器和I/O口的编址情况见下表

43. 3．8155的命令/状态寄存器 8155内部的命令寄存器和状态寄存器使用同一个端口地址。命令寄存器只能写入不能读出，状态寄存器只能读出不能写入。 ⑴命令字 8155的 3个I/O口的工作方式由CPU写入命令寄存器的控制命令字决定。命令字的格式如图6-13所示。 图6-13 8155的控制命令字

44. 表6-8 C口工作方式的设置 • 表6-9 C口用作控制信号的说明

45. ⑵状态字 8155的状态寄存器用于锁存8155 I/O口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询。状态寄存器只能读出，不能写入，而且和命令寄存器共用一个口地址。CPU对该地址写入的是命令字，读出的是状态字。状态字格式如图6-14 所示。 图6-14 8155的状态字

46. 4．8155的定时/计数器 8155的定时/计数器是一个14位的减法计数器，可用来定时或对输入脉冲进行减法计数。要对计数的过程进行控制，必须首先装入计数初值。由于计数长度为14位，故定时器的计数初值由两个字节组成，每次装入8位，要分两次才能全部装入。8155定时/计数器的计数长度为2H～3FFFH之间的任意值。定时/计数器格式如表6-10所示。 表6-10 定时/计数器的设置

47. 定时/计数器有4种输出方式，分别由M2和M1定义，每一种方式的输出波形如图6-15所示。定时/计数器有4种输出方式，分别由M2和M1定义，每一种方式的输出波形如图6-15所示。 图6-15 8155定时/计数器的4种输出波形 需要指出的是，硬件复位信号RESET，会使定时/计数器停止工作，直至由命令/状态寄存器再次启动计数操作（TM2TM1=11）时为止。

48. 5．80C51单片机与8155的连接与操作 80C51单片机可以直接和8155连接而不需要任何附加电路，直接为系统增加256字节外部RAM、22根I/O线及一个14位定时器。其基本硬件连接方法如图6 -16所示。 • 图6-16 80C51与8155连接的硬件电路图

49. 图中的P2.X、P2.Y可以是P2 口的任意引脚，如果图中X取7，Y取6，则8155中RAM的地址因P2.7（A15）=0, P2.6（A14）=0,可选为0011 1111 0000 0000B（3F00H）～0011 1111 1111 1111B（3FFFH）。此时I/O端口地址和命令/状态寄存器地址由下表得：7F00H～7F05H。表中无关位选0或1均可。 表6-11 图6-16的地址分配表

50. 6．8155应用实例 应用系统电路如图6-17所示。试编程实现如下功能：将PA口设定为输出口，PB口设定为输入口，当按钮没按下时，PA口作单一灯的左移；当按钮按下时，PA口作单一灯的右移。 • 图6-17 8155应用实例硬件电路 分析： 首先应对8155初始化，然后判断按钮状态，据此作灯的移动