MCS-51单片机系统扩展技术

第八章单片机系统扩展8.1外部总线的扩展知识目标掌握MCS-51的三总线结构熟悉常用的锁存器芯片单片机最小系统•电源电路•复位电路•振荡电路一、MCS-51系列单片机的片外总线结构MCS-51系列单片机具有很强的外部扩展功能。其外部扩展都是通过三总线进行的。1、地址总线（AB）地址总线用于传送单片机输出的地址信号，宽度为16位，P0口经锁存器提供低8位地址，锁存信号是由CPU的ALE引脚提供的；P2口提供高8位地址。2、数据总线（DB）数据总线是由P0口提供的，宽度为8位。3、控制总线（CB）控制总线实际上是CPU输出的一组控制信号。MCS-51单片机通过三总线扩展外部设备的总体结构图RD——片外数据存储器读信号。PSEN——片外程序存储器读信号。ALE——地址锁存信号，实现对低8位地址的锁存。WR——片外数据存储器写信号。数据传送:由数据总线DB（D0～D7）完成；D0～D7由P0口提供单元寻址:由地址总线AB（A0～A15）完成；低8位地址线A0～A7由P0口提供高8位地址线A8～A15由P2口提供。交互握手:由控制总线CB完成。输入输出CPDQH↑HHH↑LLHL×不变L××LMR二、单片机总线锁存器74273（带清除的8D锁存器）74273是8D锁存器，内部有8个相同的D触发器，D0～D7为其D输人端；Q0～Q7为其Q输出端；CP为门控端；MR为清零端；加上电源端Vcc和接地端GND，共20个引脚。二、单片机总线锁存器74373(是8D三态同相锁存器）74373是8D三态同相锁存器，内部有8个相同的D触发器，D0～D7为其D输人端；Q0～Q7为其Q输出端；G为门控端；OE为输出允许端；加上电源端Vcc和接地端GND，共20个引脚。输入输出OEGDQLHHHLHLLLL×不变H××高阻典型应用电路G为数据输入控制端：•G=1，锁存器输出状态(1Q～8Q)同输入状态(1D～8D)；•G由“1”变“0”时，数据存入锁存器中。ALE=1，P0地址有效ALE=0，P0地址锁存P0出现数据典型应用电路G接高电平，门控始终有效；从D0～D7输入的信号能直达Q0～Q7输出缓冲器待命；由80C51的RD和P2.7（一般用P2.0～P2.7为宜）经过或门与74373OE端相连。二、单片机总线锁存器7437774377为带有输出允许控制的8D触发器。D0～D7为8个D触发器的D输人端；Q0～Q7是8个D触发器的Q输出端；时钟脉冲输入端CLK，上升沿触发，8D共用；OE为输出允许端，低电平有效。当74377OE端为低电平,且CLK端有正脉冲时，在正脉冲的上升沿，D端信号被锁存，从相应的Q端输出。输入输出OECLKDQL××不变L1lL00×0×不变典型应用电路80C51单片机的WR和P2.5分别与74377CLK端和输出允许端OE相接。P2.5决定74377地址为DFFFH。8282是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。当用8282作为地址锁存器时，它的STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。二、单片机总线锁存器8282第八章单片机系统扩展8.2存储器扩展知识目标掌握程序存储器的扩展方法掌握数据存储器的扩展方法存储器是计算机系统中的记忆装置，用来存放要运行的程序和程序运行所需要的数据。单片机系统扩展的存储器可分为程序存储器和数据存储器两种类型。MCS-51单片机对外部存储器的扩展应考虑的问题：（1）选择合适类型的存储器芯片只读存储器用于固化程序和常数。可分为掩膜ROM、可编程PROM、紫外线可擦除EPROM和电可擦除E2PROM几种。若所设计的系统是小批量生产或开发产品，则建议使用EPROM和E2PROM；若为成熟的大批量产品，则应采用PROM或掩膜ROM。随机存取存储器常用来存取实时数据、变量和运算结果。可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。此外，还可以选择OTPROM、Flash存储器、FRAM、NVSRAM、用于多处理机系统的DSRAM（双端口RAM）等。（2）选择合适的存储容量在MCS-51应用系统所需存储容量不变的前提下，若所选存储器本身存储容量越大，则所用芯片数量就越少，所需的地址译码电路就越简单。（3）合理分配存储器地址空间的分配存储器的地址空间的分配必须满足存储器本身的存储容量，否则会造成存储器硬件资源的浪费。（4）合理选择地址译码方式可根据实际应用系统的具体情况选择线选法、全地址译码法、部分地址译码法等地址译码方式。a.线选法直接以系统空闲的高位地址线作为芯片的片选信号。优点是简单明了，无须另外增加电路，缺点是寻址范围不惟一，地址空间没有被充分利用，可外扩的芯片的个数较少。线选法适用于小规模单片机应用系统中片选信号的产生。b.全地址译码法利用译码器对系统地址总线中未被外扩芯片用到的高位地址线进行译码，以译码器的输出作为外围芯片的片选信号。常用的译码器有：74LS139，74LS138，74LS154等。优点是存储器的每个存储单元只有惟一的一个系统空间地址，不存在地址重叠现象；对存储空间的使用是连续的，能有效地利用系统的存储空间。缺点是所需地址译码电路较多，全地址译码法是单片机应用系统设计中经常采用的方法。c.部分地址译码法单片机的未被外扩芯片用到的高位地址线中，只有一部分参与地址译码，其余部分是悬空的。优点是可以减少所用地址译码器的数量。缺点是存储器每个存储单元的地址不是惟一的，存在地址重叠现象。因此，采用部分地址译码法时必须把程序和数据存放在基本地址范围内，以避免因地址重叠引起程序运行的错误。当单片机内部没有ROM,或虽有ROM但容量太小时,必须扩展外部程序存储器方能工作。一、程序存储器扩展访问片外ROM的时序：在一个机器周期内，CPU两次访问片外ROM，也即在一个机器周期内可以处理两个字节的指令代码1.常用EPROM程序存储器EPROM主要是27系列芯片，Intel2716（2K×8）、2732A（4K×8）2764（8K×8）、27128（16K×8）27256（32K×8）、27512（64K×8）27010（128K×8）、27020（256K×8）27C040(512K×8)、27C080（1M×8），一般选择8KB以上的芯片作为外部程序存储器。单片机内部没有ROM,或虽有ROM但容量太小时,必须扩展外部程序存储器方能工作。最常用的ROM器件是EPROM。如:2716(2K)/2764(8K)/27128(16K)/27256(32K)/27040(512K)……存储器的扩展(EPROM)VppVccA12PGMA7NCA6A8A5A9A4A11A3OEA2A10A1CEA0D7D0D6D1D5D2D4GNDD32764VppVccA12PGMA7A13A6A8A5A9A4A11A3OEA2A10A1CEA0D7D0D6D1D5D2D4GNDD327128VppVccA12A14A7A13A6A8A5A9A4A11A3OEA2A10A1CEA0D7D0D6D1D5D2D4GNDD327256A12～A0：13位地址信号输入线，说明芯片的容量为8K＝213个单元。D7～D0;8位数据，表明芯片的每个存储单元存放一个字节（8位二进制数）。CE为片选信号:当它有效低电平时，能选中该芯片。OE为输出允许信号:当为低电平时，芯片中的数据可由D7～D0输出。PGM为编程脉冲输入端：当对EPROM编程时，由此加入编程脉冲。读时为高电平。程序存储器芯片的引脚以2764芯片为例典型扩展电路②高位地址：视EPROM芯片容量大小。2764需5位，P2.0～P2.4与2764A8～A12相连；27128需6位，P2.0～P2.5与27128A8～A13相连。⑴地址线①低8位地址：由80C51P0.0～P0.7与74373DO～D7端连接，ALE有效时74373锁存该低8位地址，并从Q0～Q7输出，与EPROM芯片低8位地址AO～A7相接。⑵数据线：由80C51地址/数据复用总线P0.0～P0.7直接与EPROM数据线DO～D7相连。⑶控制线①ALE：80C51ALE端与74373门控端G相连，专用于锁存低8位地址。②片选端：由于只扩展一片EPROM，因此一般不用片选，EPROM片选端CE直接接地。③输出允许：EPROM的输出允许端OE直接与80C51PSEN相连，80C51的PSEN信号正好用于控制EPROMOE端。④EA：有并且使用内ROM时，EA接Vcc；无内ROM或仅使用外ROM时，EA接地。常用的选址方法1、线选法把单独的地址线接到某一个外接芯片的片选端。适用于存储器容量不大，所使用的存储芯片数量不多，而CPU寻址空间远远大于存储器容量。特点：1）对应的存储器寻址空间可能不唯一。2）若有多片存储器均使用线选法选址，则可能出现地址不连续或交叉、重叠、覆盖等现象。存储器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0寻址空间2764（1）0××00000000000000××0000000000001┇0××11111111111110000H~1FFFH或2000H~3FFFH或4000H~5FFFH或6000H~7FFFH2764（2）×0×0000000000000×0×0000000000001┇×0×11111111111110000H~1FFFH或2000H~3FFFH或8000H~9FFFH或A000H~BFFFH2764（3）××00000000000000××00000000000001┇××011111111111110000H~1FFFH或4000H~5FFFH或8000H~9FFFH或C000H~DFFFH寻址空间的地址计算如下表所示常用的选址方法2、译码选通法用译码器对高位地址线进行译码，译出的信号作为片选信号。部分译码：存储器本身不使用的高位地址有一部分参与译码，另一部分不参与译码。完全译码：存储器本身不使用的高位地址线全部参与译码。部分译码举例未用地址线存储器本身使用的地址线参与译码地址线存储器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0寻址空间2764（1）×000000000000000×000000000000001┇×0011111111111110000H~1FFFH或8000H~9FFFH2764（2）×010000000000000×010000000000001┇×0111111111111112000H~3FFFH或A000H~BFFFH各存储器的寻址空间计算完全译码举例高位地址线全部用上存储器本身使用的地址线存储器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0寻址空间2764（1）00000000000000000000000000000001┇00011111111111110000H~1FFFH2764（2）00100000000000000010000000000001┇00111111111111112000H~3FFFH2764（3）01000000000000000100000000000001┇01011111111111114000H~5FFFH三片2764的寻址空间如下表所示S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2输出PCH输出DPHPCLDPL第1个机器周期第2个机器周期ALEPSENP2口P0口指令数据入输出PCHPCL指令RD二、数据存储器扩展RAM扩展原理扩展RAM和扩展ROM类似外部RAM读时序外部RAM写时序为：S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2输出PCH输出DPHPCLDPL第1个机器周期第2个机器周期ALEPSENP2口P0口指令数据出输出PCHPCL指令WR单片机内部的RAM为128B（或2