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问题的提出

在单片机应用系统的设计中 , 往往出现 RAM, ROM 或者 I/O 口不够的情况，怎么办？. ROM 的扩展. RAM 的扩展. I/O 口的扩展. 问题的提出. 第 8 章 单片机小系统及片外扩展. 系统扩展. 1 、扩展系统是以单片机为核心进行的； 2 、扩展内容包括 ROM 、 RAM 、和 I/O 接口电路等； 3 、扩展是通过 系统总线 进行的，通过总线把各扩展部件连接起来，并进行数据、地址和信号的传送，要实现扩展首先要构造系统总线。 ( 尽可能采用串行扩展方案 ). 本章内容.

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  1. 在单片机应用系统的设计中,往往出现RAM, ROM或者I/O口不够的情况，怎么办？ ROM的扩展 RAM的扩展 I/O口的扩展 问题的提出

  2. 第8章 单片机小系统及片外扩展

  3. 系统扩展 1、扩展系统是以单片机为核心进行的； 2、扩展内容包括ROM、RAM、和I/O接口电路等； 3、扩展是通过系统总线进行的，通过总线把各扩展部件连接起来，并进行数据、地址和信号的传送，要实现扩展首先要构造系统总线。 (尽可能采用串行扩展方案)

  4. 本章内容 • 8.1 串行扩展总线接口技术 • 8.2 并行扩展三总线的产生 • 8.3 程序存储器的扩展 • 8.4 数据存储器的扩展 • 8.5 I/O口接口扩展电路设计

  5. 8.1 串行扩展总线接口技术 • SPI串行外设接口总线：同步串行3线方式 • I2C总线：同步串行2线 • 单总线：采用单根信号线，既可作为数据输入，又可以作为输出，而且数据传输是双向的，适用于单主机系统 • CAN总线：多主竞争式的串行数据通信协议，实时，特别适合工业过程监控设备的互连，最有前途的现场总线之一 。需CAN控制器

  6. SPI串行外设接口总线 • 同步串行方式 • 需3~4条线：串行时钟线（SCK）、 主机输入/从机输出数据线MISO、 主机输出/从机输入MOSI、 从机片选线CS • 许多外设都具有SPI接口，如FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器等

  7. 89C51单片机串行扩展SPI外设接口的方法 • 用一般I/O口线模拟SPI操作 • 利用串行口实现SPI操作

  8. 用一般I/O口线模拟SPI操作 • 根据SPI串行总线的操作时序特点 ，进行软件模拟 X25F008（E2PROM）

  9. X25F008具有SPI接口，且在SCK的上升沿接收数据，在下降沿发送数据。则MCU在下降沿时接收数据。X25F008具有SPI接口，且在SCK的上升沿接收数据，在下降沿发送数据。则MCU在下降沿时接收数据。 MCU串行输入子程序SPIIN SPIIN：SETB P1.1 ；使P1.1(时钟)输出为1 CLR P1.2 ;选择从机 MOV R1，#08H ；置循环次数 SPIIN1:CLR P1.1 ；使P1.1（时钟）输出为0 NOP ；延时 NOP MOV C，P1.3 ；从机输出SPISO送进位C RLC A ；左移至累加器ACC SETB P1.1 ；使P1.1(时钟)输出为1 DJNZ R1,SPIIN1 ；判断是否循环8次（8位数据） MOV R0，A ；8位数据送R0 RET

  10. MCU串行输出子程序SPIOUT 将MCS-51单片机中R0寄存器的内容传送到X25F008的SPISI线上的程序如下： SPIOUT：SETBP1.1；使P1.1（时钟）输出为1 CLRP1.2；选择从机 MOVR1,#08H；置循环次数 MOVA,R0；8位数据送累加器ACC SPIOUT1：CLRP1.1；使P1.1（时钟）输出为0 NOP；延时 NOP RLCA；左移至累加器ACC最高位至C MOVP1.0，C；进位C送从机输入SPISI线上 SETBP1.1；使P1.1（时钟）输出为1 DJNZR1,SPIOUT1；判是否循环8次（8位数据） RET

  11. MCU串行输入/输出子程序SPIIO 将MCS-51单片机R0寄存器的内容传送到X25F008的SPI SI中，同时从X25F008的SPI SO接收8位数据的程序如下： SPIIO：SETBP1.1；使P1.1（时钟）输出为1 CLRP1.2；选择从机 MOVR1，#08H；置循环次数 MOVA，R0；8位数据送累加器ACC SPIIO1：CLRP1.1；使P1.1（时钟）输出为0 NOP；延时 NOP MOVC，P1.3；从机输出SPISO送进位C RLCA；左移至累加器ACC最高位至C MOVP1.0，C；进位C送从机输入 SETBP1.1；使P1.1（时钟）输出为1 DJNZR1，SPIIO1；判断是否循环8次（8位数据） RET

  12. X1 89C51 TXD SCLK I/O RST 32kHz RXD X2 P1.0 利用串行口实现SPI操作 串行时钟芯片HT1380与89C51接口电路

  13. 利用51单片机串口扩展SPI口的特点 • 需要通过单片机的开关量I/O口线进行芯片选择； • 当芯片未选中时，数据端口均处于高阻状态； • 与单片机交换信息时均要求单片机串行口以方式0进行； • 传输数据时的桢格式局要求先传送命令/地址，再传送数据。 因为In/Out共享一个RXD线，需先识别读/写

  14. I2C总线 • 同步串行 • 需两根信号线：数据线SDA和时钟线SCL。 • 纯软件的寻址方法（故无需片选线） • 支持多主控(multimastering) 由PHILIPS公司开发的两线式串行总线。

  15. 常用I2C外围器件 • SRAM • EPROM • ADC/DAC • RTC • I/O等 支持热插拔

  16. 单片机A 专用集成电路 液晶显示驱动器 I2C总线 A/D、D/A转换器 静态RAM或EEPROM SDA SCL 单片机B 图8-9 I2C总线典型系统示意图

  17. 总线上每一个节点都有一个固定的节点地址 • 主机发送的第一个字节为寻址字节 • 数据传输需遵循规定的传输格式

  18. I2C总线寻址字节 • 在起始信号之后，必须是器件的寻址字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作

  19. I2C总线基本操作 • I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

  20. I2C总线在传送数据过程中典型信号 • 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 • 结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 • 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

  21. Vcc 具有I2C总线 接口的外设 SCL SDA 51单片机 P1.6 P1.7 51单片机与I2C总线的接口 对不带I2C接口的51单片机，若去控制总线，只需两个I/O口线，用软件模拟数据传送典型信号时序。如起始位、终止位、应答位、非应答位、发送字节、接收字节等。 数据传送模拟程序，包括： 应答位检查子程序，发送一字节子程序，接收一字节子程序，发送N字节子程序，接收N字节子程序。

  22. P210 启动 I2C总线子程序STA void I2C_Start(void)     {         /*启动I2C总线的函数，当SCL为高电平时使SDA产生一个负跳变*/         SDA=1;         SCL=1;         DELAY(DELAY_TIME);         SDA=0;         DELAY(DELAY_TIME);         SCL=0;         DELAY(DELAY_TIME);     }

  23. P210 停止 I2C总线子程序STOP void I2C_Stop(void)     {         /*终止I2C总线，当SCL为高电平时使SDA产生一个正跳变*/         SDA=0;         SCL=1;         DELAY(DELAY_TIME);         SDA=1;         DELAY(DELAY_TIME);         SCL=0;         DELAY(DELAY_TIME);     }

  24. 发送应答位ACK  void SEND_0(void)   /* SEND ACK */     {         /*发送0，在SCL为高电平时使SDA信号为低*/         SDA=0;         SCL=1;         DELAY(DELAY_TIME);         SCL=0;         DELAY(DELAY_TIME);     }

  25. 发送非应答位MNACK  void SEND_1(void)     {         /*发送1，在SCL为高电平时使SDA信号为高*/         SDA=1;         SCL=1;         DELAY(DELAY_TIME);         SCL=0;         DELAY(DELAY_TIME);     }

  26. 应答位检查子程序CACK • bit Check_Acknowledge(void)     {         /*发送完一个字节后检验设备的应答信号*/         SDA=1; 置SDA为输入方式SCL=1; 使SDA上数据有效 DELAY(DELAY_TIME/2);         F0=SDA;         DELAY(DELAY_TIME/2);         SCL=0;         DELAY(DELAY_TIME);         if(F0==1)             return FALSE;         return TRUE;     }

  27. 从I2C总线读一个字节RDBYT char ReadI2CByte(void)     {         /*从I2C总线读一个字节*/         char b=0,i;         for(i=0;i<8;i++)         {             SDA=1;    /*释放总线*/             SCL=1;    /*接受数据*/             DELAY(10);             F0=SDA;             DELAY(10);             SCL=0;             if(F0==1)                 {                     b=b<<1;                     b=b|0x01; }             else                 b=b<<1;         }         return b;     }

  28. 向I2C总线写一个字节 void WriteI2CByte(char b)     {         /*向I2C总线写一个字节*/         char i;         for(i=0;i<8;i++)             if((b<<i)&0x80)                 SEND_1();             else                 SEND_0();     }

  29. 向24c02 (I2C EEPROM)发送一字节的模拟子程序 • void Write_One_Byte(char addr,char thedata) {           bit acktemp=1;           /*write a byte to mem*/           I2C_Start();           WriteI2CByte(0xa0);           acktemp=Check_Acknowledge();           WriteI2CByte(addr);/*address*/           acktemp=Check_Acknowledge();           WriteI2CByte(thedata);/*thedata*/           acktemp=Check_Acknowledge();           I2C_Stop(); }

  30. 读取一字节的模拟子程序 char Read_One_Byte(char addr){         bit acktemp=1;          char mydata;           /*read a byte from mem*/          I2C_Start();          WriteI2CByte(0xa0);启动总线 acktemp=Check_Acknowledge();          WriteI2CByte(addr);/*address*/          acktemp=Check_Acknowledge();          I2C_Start();          WriteI2CByte(0xa1); 重新启动总线 acktemp=Check_Acknowledge();           mydata=ReadI2CByte();          acktemp=Check_Acknowledge();           return mydata;          I2C_Stop();}

  31. 8.2 并行扩展三总线的产生 地址总线AB——P2，P0（373锁存器） 数据总线DB——P0 控制总线CB——ALE， ， ， 程序存储器 RAM，I/O

  32. 8051有片内ROM的容量：4K • 片外最大可扩展64K ROM。 • 有关的管脚：EA 可用来扩展的存储器芯片： EPROM：2716（2K*8），2732，2764，27256等 EEPROM：2816 （2K*8） ，2864，28128等 • 还要用到锁存器芯片：例74LS373。 8.3 程序存储器的扩展 片内资源

  33. 访问程序存储器的控制信号 • ALE :指示74LS373锁存低8位地址 • :用于选通片外程序存储器,接片外ROM的 引脚 • :CPU读取片内/片外程序存储器的控制信号。高电平访问片内存储器，低电平访问片外存储器。

  34. A11 A8 A7 A0 2732 O7 O0 OE CE ``` ``` P2.3 P2.0 P0.7 89C51P0.0 ALE PSEN 12根地址线 ``` ``` 8根数据线 . . . 控制线 EPROM扩展实例----在89C51单片机上扩展4KB EPROM D7 Q7 373 D0 Q0 G

  35. ALE PSEN 读外部程序存储器时序 一个机器周期 送地址 取出指令 注意：上述时序是在取指令过程中自动产生

  36. 地址范围的确定 • 取决于CE（片选）和地址线的接法，本例中CE接地。请确定地址范围 • 要求根据电路图，确定其中EPROM的地址范围。 • 注意：当同时扩展多片ROM时，可采用译码法或线选法来分别选中芯片，每个芯片分配的地址范围不同。

  37. 程序存储器扩展举例

  38. 74LS373是带三态输出的地址锁存器。三态控制端 接地，以保持输出常通，cp(G)端接8031的ALE引脚，每当ALE端的电平产生复跳变时， 74LS373锁存低8位地址线，并输出供2764使用。 • 2764是8K*8bit的EPROM，有13根地址线(A12~A0)，2764的片选信号 由P2.5送出，低电平有效， 端与8031的 引脚信号相连接，当 信号有高电平变成低电平时，允许2764输出。

  39. 0000 0000 0000 0000-0001 1111 1111 11110100 0000 0000 0000-0101 1111 1111 11111000 0000 0000 0000-1001 1111 1111 11111100 0000 0000 0000-1101 1111 1111 1111 地址范围 P2.5

  40. 利用译码器选通存储器 接地，常有效 地址：4000H ～ 7FFFH 存储器地址线14条，容量16K 全译码，地址不重叠

  41. 当A15=0时，选通139，A14A13=00，1＃01，2＃10，3＃ 0010 0000 0000 0000-0011 1111 1111 1111 4000-5FFF 2000-3FFF 0000-1FFF

  42. 8.4 数据存储器的扩展 • 静态RAM：6116,6264,62256,62128 地址线、数据线、控制线 由CPU地址线或经译码器选通，并获得地址； 由CPU (P3.7)选通； 由CPU (P3.6)选通。 当CPU执行输入/输出指令MOVX时， 、 有效 • E2PROM：2816,2817,2864A。

  43. ALE PSEN 访问ROM，取出MOVX指令 送地址 访问RAM读/写数据 读/写外部数据存储器时序 一个机器周期 一个机器周期 RD/WR 注意：上述红色线时序是在执行MOVX 指令情况下

  44. 扩展注意的问题： • 读写控制 • 片选控制 • 地址的分配： 地址是一个范围空间

  45. A10 A8 A7 A0 6116 O7 O0 RD WR CE P2.2 P2.0 P0.7 8051 P0.0 ALE RD WR P2.7 . . RAM扩展实例----在8051单片机上扩展2K RAM D7 Q7 373 D0 G Q0

  46. 扩展存储器举例(PM，DM) 32K，A15(P 2.7)选通，地址：0000H-7FFFH

  47. 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 扩展I/O口与外部RAM统一编址 使用同样的指令MOVX访问——控制总线RD/WR 8.5 I/O口接口扩展电路设计 • 51单片机有4组并口P0-P3，为什么还要扩展I/O口？ 常用的扩展方法有： • 简单的I/O口扩展 • 可编程I/O口芯片 • 利用串行口扩展并行口 串口工作在什么方式？

  48. 简单I/O口扩展 • 用并行口扩展I/O口 选择TTL电路或MOS电路即能组成简单的扩展I/O口。 如：用8位三态缓冲器74LS244可扩展输入口； 用8D锁存器74LS273、74LS373、74LS377 等可组成输出口。

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