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第 8 章 单片机的系统扩展技术

第 8 章 单片机的系统扩展技术. 8.1 程序存储器的扩展 8.2 数据存储器的扩展 8.3 I/O 口的扩展. 系统扩展的含义 单片机中虽然已经集成了 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），但是对一些较复杂应用系统来说 , 有时感到以上资源中的一种或几种不够用，这就需要在单片机芯片外加相应的芯片、电路，使得有关功能得以扩充，我们称为系统扩展（即系统资源的扩充）。. 所谓系统的扩展与配置一般说来有如下两项主要任务：

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第 8 章 单片机的系统扩展技术

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  1. 第8章 单片机的系统扩展技术 8.1 程序存储器的扩展 8.2 数据存储器的扩展 8.3 I/O口的扩展

  2. 系统扩展的含义 单片机中虽然已经集成了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），但是对一些较复杂应用系统来说,有时感到以上资源中的一种或几种不够用，这就需要在单片机芯片外加相应的芯片、电路，使得有关功能得以扩充，我们称为系统扩展（即系统资源的扩充）。

  3. 所谓系统的扩展与配置一般说来有如下两项主要任务：所谓系统的扩展与配置一般说来有如下两项主要任务： • 第一项是扩大单片机的容量。由于芯片结构、引脚等关系，单片机内ROM，RAM等功能部件的数量不可能很多、在使用中有时会感到不够。因此需要在片外进行扩展，以满足实际系统的需要。 •     另一项是把系统所需的外设与单片机连起来，使单片机系统能与外界进行信息交换。如通过键、A/D转换器、磁带机、开关等外部设备向单片机送入数据、命令等有关信息，去控制单片机运行，通过显示器、发光二极管、打印机、继电器、音响设备等把单片机处理的结果送出去，向人们提供信息或对外界设备提供控制信号，这项任务实际上就是单片机接口设计。

  4. 8.1 程序存储器的扩展 • 单片机最小应用系统: 单片机的各种功能能满足应用系统的需要. • 例: 8051/8751 ：由单片机和一些不能集成在芯片内的晶体振荡电路、复位电路、电源部分组成。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。 • 8031/8032：由单片机和外接的ROM或EPOM芯片和晶体振荡电路、复位电路、电源部分组成。(如下图)

  5. 图 8.1 MCS - 51 单片机最小应用系统（8051、8751）

  6. 图 8.2 MCS - 51 单片机最小应用系统（8031、8032）

  7. 当单片机最小应用系统不能满足系统要求时,就需要扩展ROM(或EPOM)、RAM、I/O 口、D/A和A/D转换及定时/计数器等外围芯片。 一般将外部总线变成微机三总线结构形式。 MCS-51的三总线： 1）地址总线（AB）： P2口提供高8位地址线（可自己 锁存） P0口提供低8位地址线（需加地址锁存器锁存低8位的地址信息，ALE正脉冲信号的下降沿控制锁存时刻）

  8. 2） 数据总线（DB）： 由P0口提供，是双向、输入三态控制的通道口 3） 控制总线（CB）： 扩展系统时常用的控制信号为： ALE RESET MCS-51单片机有四个I/O口，共32条口线，但由于系统扩展的需要，真正能作为数据I/O使用的就只有P1口和P3口的部分口线。 注意：所有的外部芯片都是通过这3组总线进行扩展

  9. 图5.3 MCS-51系列单片机三总线结构

  10. 8.1 单片机程序存储器的扩展 MCS－51系列单片机数据存储器和程序存储器的地址空间是相互独立的。 MCS－51系列单片机具有64K的程序存储器寻址空间，以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线寻址 如果系统需要用到的存储器超过了单片机本身具有的容量，就要进行片外程序存储器的扩展。(主要是EPROM和EEPROM)

  11. 8051/8751/89C51单片机： 内部有最低4KB地址空间的ROM，扩展后64KB内、外程序存储器的地址是统一编排的，通过对 引脚 设置来确定是访问内部还是外部程序存储器。 8031单片机： 内部无 ROM，必须外接程序存储器，地址为0000---FFFFH, 应始终接地。 注意：访问内部和外部程序存储器的指令不同 用MOVC访问外部程序存储器

  12. 有关EPROM? • EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。 • EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（VPP=12—24V，随不同的芯片型号而定）。EPROM的型号是以27开头的，如2716是一片EPROM芯片。 • EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。

  13. 2716容量： 2KB×8位 图 8.4 EPROM扩展芯片2716的引脚图

  14. 程序存储器的扩展要解决的几个问题： .程序存储器的作用——存放程序代码或常数表格 .扩展时所用芯片——一般用只读型存储器芯片（可以是 EPROM、E2PROM、 FLASH芯片等）。 .扩展电路连接——用EPROM 2716、2732等扩展程序存 储器。 .存储器地址分析——单片机输出什么地址值时，可以 指向存储器中的某一单元。

  15. 实例： 图 8.5 2716与8031的连接图

  16. 1. 地址线： P0口分时提供8位地址线A0-A7 和数据线D0-D7的信息。ALE在P0口出现地址信息时输出高电平（锁存），出现数据信息时输出低电平。 每个机器周期，P0口发两次地址、数据信息，在1个机器周期中ALE两次有效（锁存地址） P2口输出高8位地址A8-A15，在1个机器周期中更新2次 即：每个机器周期中至多允许执行两字节的指令

  17. 数据线: P0口接存储器的8位数据线D0-D7 为片选信号输入端，低电平有效，表示选中该EPROM 芯片，这里接地，表示常有效。 从而确定所扩展存储器的地址空间范围。

  18. 由图 可确定2716芯片的地址范围。方法是A10～A0从全0开始, 然后从最低位开始依次加 1, 最后变为全1, 相当于211=2 048个单元地址依次选通, 称为字选。即 地址与单元是多对一的关系

  19. 接存储器读信号 应接地 3.控制线: ALE 接至地址锁存器锁存信号 当采用8031、8032时，

  20. 5.1.3 EEPROM 的扩展 • EEPROM 是一种电擦除可编程只读存储器，掉电后信息不会丢失，+5V电源下 就可以进行编程，而且对编程脉冲宽度一般无特殊要求。EEPROM存储器主要存放数据，可在线编程，并且在断电的情况下保持修改的结果。 • 在智能化仪器仪表、控制装置等领域都普遍应用。 EEPROM 种类很多，主要有串行EEPROM 和并行EEPROM

  21. 图 8.6 2864A管脚

  22. 图 8.7 2864A与8031的接口电路

  23. 1. 地址线： P0口分时提供8位地址线A0-A7 和数据线D0-D7的信息。ALE在P0口出现地址信息时输出高电平（锁存），出现数据信息时输出低电平。 • 数据线: P0口接存储器的8位数据线D0-D7 3.控制线: ALE 接至地址锁存器锁存信号 内外程序存储器选择信号 接存储器读信号 片选信号，这里是线选法

  24. 8.2 数据存储器的扩展 8.2.1 单片机RAM概述 MCS-51单片机的内部数据存储器容量一般为128B—256B，可以作为工作寄存器、堆栈、标志和数据缓冲区使用。 对数据量较小的系统，内部RAM已足够； 当数据量较大时，就需要扩展RAM数据存储器，扩展容量最大可达64KB。 最常用的RAM器件是SRAM，与动态RAM相比，静态RAM无须考虑保持而设置的刷新电路，故扩展电路简单。但静态RAM是通过有源电路来保持存储器中的数据，因此要消耗较多的功率，价格也较高。

  25. 1. 静态RAM芯片 I/O 0~7：数据线 A0～A12：地址线 CE、CE：片选线 OE：输出使能 WE：写入使能 VCC、GND：电源 NC：未使用 图 8.9 6264 管脚图

  26. 6116、6264、62256引脚功能如下： A0～Ai ：地址输入线，i=10（6116，12（6264），（62256）。 O0～O7 ：双向三态数据线。 ：片选信号输入线，低电平有效。6264的26脚（CE2） 为高电平，且 为低电平时才选中该片。 ： 选通信号输入线，低电平有效。 ：写允许信号输入线，低电平有效。 Vcc ：主电源，电压为5V； GND ：接地端。

  27. 2. 6264的工作方式

  28. 8.2.2 SRAM扩展实例 图 8.10 MCS - 51 数据存储器的扩展示意图

  29. 图 8.11 扩展6264 静态RAM

  30. 注意: 访问内部和外部存储器时,应分别使用MOV和MOVX指令. 外部数据存储器的两个数据区: • 低8位地址线寻址的外部数据区，寻址空间为256个字节，可通过Ri(R1或R2)8位寻址，Ri内存放外部RAM的地址号 例： MOVX A ，@Ri （读指令） MOVX @Ri , A （写指令） 若数据量不大，一般采用该寻址方式

  31. 2） 16位地址线寻址的外部数据区 当外部数据容量较大，要访问RAM单元的地址大于或等于256时，采用DPTR寄存器的16位寻址，可寻址216=64KB单元，DPTR 内存放访问的外部RAM单元的16位地址号。 例： MOVX A ，@DPTR （读指令） MOVX @DPTR , A （写指令）

  32. 8.3并行I/O口扩展 • MCS-51系列单片机有4个8位并行输入/输出口，单片机与外围设备的数据传送都是通过并行输入/输出口或串行口完成的。对于8051（或8052）/8751（或8752）来说，无须扩展外部存储器，P0口～P3口均可作为通用I/O口使用。但扩展存储器后，P2口、P0口被占用，留给用户的只有P1和P3口，而P3口是多用途口，当第二功能使用时，就不能作一般I/O口线。因此，在实际应用中，大都需要扩展I/O口。 • 用户可以把外部64KB的数据存储器的一部分作为外部I/O口的地址

  33. 8.3.1 地址译码法 • （1） 线选法扩展片外芯片 • 所谓线选法，就是利用单片机高地址总线（一般为P2口）作为存储器（或I/O口）的片选信号，即是将P2口的某一根地址线与存储器（或I/O口）的片选信号直接相连，该地址线为低电平时，选中该芯片。如图所示。 • 用 线 选 方 式 实 现 片 选

  34. 图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都是4KB×8位存储器芯片，地址线A11～A0实现片内寻址，地址空间为4KB。现用3根高位地址线A14、A13、A12实现片选，均为低电平有效。为了不出现寻址错误，当A12、A13、A14之中有一根地址线为低电平时，其余两根地址线必须为高电平，也就是说每次存储器操作只能选中一个芯片，现假设剩下的A15为高电平，这样可得到3个芯片的地址分配，如表5.3所示。图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都是4KB×8位存储器芯片，地址线A11～A0实现片内寻址，地址空间为4KB。现用3根高位地址线A14、A13、A12实现片选，均为低电平有效。为了不出现寻址错误，当A12、A13、A14之中有一根地址线为低电平时，其余两根地址线必须为高电平，也就是说每次存储器操作只能选中一个芯片，现假设剩下的A15为高电平，这样可得到3个芯片的地址分配，如表5.3所示。

  35. 线选法地址分配表(表8.3) • 从表中看出3个芯片的内部寻址A11～A0都是0～0（共12位）到1～1（共12位），为4KB空间，而依靠不同的片选信号高位地址线A14、A13、A12之中某一根为0，来区分这3个芯片的地址空间。

  36. 线选法简单，适用于不太复杂的系统。但每占用一根地址线，就占用了一段地址空间，且各地址空间不连续，不能充分利用存储空间或者存在地址重叠现象。线选法简单，适用于不太复杂的系统。但每占用一根地址线，就占用了一段地址空间，且各地址空间不连续，不能充分利用存储空间或者存在地址重叠现象。

  37. （2） 地址译码法 • 当线选法所需地址选择线多于可用地址线时，一般采用地址译码法。译码法就是利用译码器对单片机的某些高位地址线进行译码，其译码输出作为存储器（或I/O口）的片选信号。这种方法存储空间连续，能有效地利用存储空间，适用于多存储器、多I/O口的扩展。 地址译码法必须采用地址译码器，常用的地址译码器有74LS138、74LS139、74LS154、8282等。 • 例如用译码法实现扩展容量4KB×8位的存储器芯片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的接口电路，接线图如下图所示。

  38. 地址线A11～A0用于片内寻址，高位地址线A14、A13、A12接到74LS138译码器的选择输入端C、B、A。 74LS138器的、、分别作为3个芯片的片选信号。

  39. 采 用全译码方式实现片选 • 根据译码器的逻辑关系和存储器的片内寻址范围，可以得到3个芯片地址空间，如表5.4。 • 译码法实现片选的地址分配表 (表8.4)

  40. 从例子中的硬件连接图中看出，单片机除了扩展存储器所需的地址线外，剩余的全部地址线都参加译码，这种译码方式称为全译码。全译码的优点是存储器芯片的地址空间连续，且唯一确定，不存在地址重叠现象，能够充分利用内存空间。从例子中的硬件连接图中看出，单片机除了扩展存储器所需的地址线外，剩余的全部地址线都参加译码，这种译码方式称为全译码。全译码的优点是存储器芯片的地址空间连续，且唯一确定，不存在地址重叠现象，能够充分利用内存空间。

  41. 扩展并行I/O口的方法主要有两种： • 一是采用单片机专用的扩展I/O接口芯片，如8155、8212、8255等； • 二是利用通用的三总线扩展三态门等接口。

  42. 图8.12

  43. 这种I/O口一般都是通过P0口扩展。由于P0口是双向数据线，图中74LS244作为输入口、74LS273作为输出口，它们都可以通过P0口输入、输出数据。这种I/O口一般都是通过P0口扩展。由于P0口是双向数据线，图中74LS244作为输入口、74LS273作为输出口，它们都可以通过P0口输入、输出数据。 输出控制信号由P2.0和 合成，当二者同时为０电平时，“或”门输出０电平，273的Ｑ＝Ｄ，数据进入273，数据锁存在Ｑ端并输出。 输入控制信号由Ｐ２.０和 合成，当二者同时为０电平时，“或”门输出０电平，244的Ｑ＝Ｄ（直通），将外部信息输入到总线。 注意使用是P2.0（A8）必须为0。

  44. 电路可实现的功能是：按下任意键，对应的LED发光。程序如下：（MCS-51单片机把外扩I/O口和片外RAM统一编址，每个扩展的接口相当于一个扩展的外部RAM单元，访问外部接口就像访问外部RAM一样，用的都是MOVX指令)电路可实现的功能是：按下任意键，对应的LED发光。程序如下：（MCS-51单片机把外扩I/O口和片外RAM统一编址，每个扩展的接口相当于一个扩展的外部RAM单元，访问外部接口就像访问外部RAM一样，用的都是MOVX指令) LOOP： MOV DPTR，#FEFFH；数据指针指 向扩展I/O口地址 MOVX A，＠DPTR ；向244读入数据，检测按键 MOVX ＠DPTR，A ；向273输出数据，驱动LED SJMP LOOP ；循环

  45. 8.3.2 采用Intel系列可编程接口芯片 • 完成一些较复杂的接口动作，仅靠几片74LS273、244之类的芯片已不能满足要求。必须扩展功能强的可编程接口芯片。常用的可编程芯片有：8155可编程并行接口、8255可编程并行接口、8251可编程通信接口、8253可编程间隔定时器、8279可编程键盘/显示器接口等。下面通过8255芯片说明可编程接口芯片的扩展。

  46. 一、8255A可编程并行I/O接口 1.结构 8255A由 3 个 8 位并行I/O口, 称为PA口、 PB口和PC口；数据缓冲器及读写控制逻辑电路组成。 其中PC口又分为高 4 位和低 4 位, 通过控制字设定可以选择三种工作方式: ① 基本输入/输出; ② 选通输入/输出; ③ PA口为双向总线。

  47. 8255A的内部结构图

  48. 2. 3种工作方式： 方式0（基本I/O方式）： A口、B口、C口均为数据I/O。输出锁存，输入三态，不用联络信号。 适用于无条件或查询方式的数据传送。 方式1（选通I/O方式）： A口和B口用于数据I/O，输入/输出均锁存， C口用于传送联络信号，读C口可了解外设当前状态。 适用于查询或中断方式的数据I/O。 方式2（双向数据传送方式）： A口为数据I/O，B口无此方式，C口用作A口双向传送的联络信号线。 适用于查询或中断方式的数据I/O。

  49. 8255A的芯片引脚信号 40脚

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