第8章 MCS-51单片机系统的扩展技术

1第4章MCS-51单片机系统的扩展技术4.1MCS-51单片机系统扩展概述4.2存储器的扩展4.3并行I/O口的扩展4.4时钟芯片的扩展4.5系统监控芯片的扩展4.6总线接口扩展第4章MCS-51单片机系统的扩展技术2MCS-51单片机的最小应用系统维持单片机运行的最基本的配置系统，构成单片机最小应用系统。对于8051、8751和8951等片内有RAM、EPROM或FlashROM等的系统来讲，单片机与晶振电路及开关、电阻、电容等构成的复位电路组成单片机最小应用系统。对于不带片内ROM的单片机如8031，需要在片外扩展ROM之后才能构成最小系统。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术3MCS-51单片机的最小应用系统第4章MCS-51单片机系统的扩展技术4MCS-51单片机的最小应用系统51系列单片机有很强的外部扩展能力。外部扩展可分为并行扩展和串行扩展两大形式。早期的单片机应用系统以采用并行扩展为多，近期的单片机应用系统以采用串行扩展为多。外部扩展的器件可以有ROM、RAM、I/O口和其他一些功能器件，扩展器件大多是一些常规芯片，有典型的扩展应用电路，可根据规范化电路来构成能满足要求的应用系统。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术54.1MCS-51单片机扩展概述单片机并行扩展时外部引线分为三组总线：数据线、地址线、控制线。系统扩展就是将需要的外部资源挂接到这三组总线上，使其能够与CPU正确通信，完成数据交换。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术64.1.1MCS-51单片机外部扩展原理第4章MCS-51单片机系统的扩展技术74.1.2MCS-51单片机系统地址分配在单片微机应用系统中，为了唯一地选择片外某一存储单元或I/O端口，需要进行二次选择。一是必须先找到该存储单元或I/O端口所在的芯片，称为“片选”，二是通过对芯片本身所具有的地址线进行译码，然后确定唯一的存储单元或I/O端口，称为“字选”。“片选”保证每次读或写时，只选中某一片存储器芯片或I/O接口芯片。常用的方法有三种：“线选法”、“部分译码法”、“全译码法”。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术84.1.2MCS-51单片机系统地址分配线选法：先将扩展芯片的地址线与单片机的地址总线从低位开始顺次相连后，剩余的高位地址线的一根或几根直接连接到各扩展芯片的片选线上。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术94.1.2MCS-51单片机系统地址分配部分译码法和全译码法第4章MCS-51单片机系统的扩展技术104.2存储器扩展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通常使用半导体存储器，根据用途可以分为程序存储器（一般用ROM）和数据存储器（一般用RAM）两种类型。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术114.2.1程序存储器ROM扩展第4章MCS-51单片机系统的扩展技术124.2.2读写存储器RAM扩展第4章MCS-51单片机系统的扩展技术134.2.3MCS-51对外部存储器的扩展第4章MCS-51单片机系统的扩展技术144.3并行I/O接口扩展在单片机的I/O口线不够用的情况下，可以借助外部器件对I/O口进行扩展。可供选用的器件很多，方案也有多种。单片机并行I/O口扩展方法：（1）并行总线扩展的方法（2）串行口扩展方法（3）I/O端口模拟串行方法第4章MCS-51单片机系统的扩展技术15并行总线扩展I/O接口①访问扩展I/O口的方法与访问数据存储器完全相同，使用相同的指令，所有扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址。②利用并行总线扩展的方法扩展外部并行I/O口时，必须注意P0,P2口的负载问题，若负载能力不够，必须进行总线驱动能力扩展。③扩展外部并行I/O口对外设的硬件具有依赖性（驱动功率、电平匹配、干扰抑制、隔离等）。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术164.3.2普通并行I/O口扩展利用TTL或CMOS电路的缓冲驱动器（74244、74245）和锁存器（74273、74373、74377），通过P0口构成各种类型的输入/输出口。这些类型的芯片具有数据缓冲或锁存功能，但没有地址线和读写控制线，仅有数据输入/输出线和选通控制端。因此这类芯片扩展并行I/O口的方法与扩展数据存储器不同。其选通端应由地址线和控制线的组合控制。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术17扩展并行输出口带数据使能端正边沿触发的高速D触发器74377第4章MCS-51单片机系统的扩展技术18扩展并行输出口三态正边沿触发的高速D触发器74374第4章MCS-51单片机系统的扩展技术19第4章MCS-51单片机系统的扩展技术204.3.3可编程并行I/O接口第4章MCS-51单片机系统的扩展技术218255A应用实例第4章MCS-51单片机系统的扩展技术228255A各端口的地址A口：0111111111111100B7FFCHB口：0111111111111101B7FFDHC口：0111111111111110B7FFEH控制：0111111111111111B7FFFH第4章MCS-51单片机系统的扩展技术238255的应用例：从8255A的A口读入数据，送到8255A的B口输出解：MOVDPTR，#7FFFHMOVA，#90H；MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#7FFCHMOVXA，@DPTRMOVDPTR，#7FFDHMOVX@DPTR，A第4章MCS-51单片机系统的扩展技术244.6串行扩展总线接口技术一、串行扩展特点：⑴最大程度发挥最小系统的资源功能。⑵简化连接线路，缩小印板面积。⑶扩展性好，可简化系统的设计。⑷串行扩展的缺点:数据吞吐容量较小，信号传输速度较慢，但随着CPU芯片工作频率的提高，以及串行扩展芯片功能的增强，这些缺点将逐步淡化。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术254.6串行扩展总线接口技术二、串行扩展方式分类：1、一线制一线制的典型代表为Dallas公司推出的单总线（1-wire）。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术264.6串行扩展总线接口技术2、二线制：二线制的典型代表为philips公司推出的I2C总线（SMBus）。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术274.6串行扩展总线接口技术⑴由Motorala公司推出的SPI（SerialperipheralInterface）；⑵由NS公司推出的Microwire/PLUS。3、三线制第4章MCS-51单片机系统的扩展技术284.6串行扩展总线接口技术4、MCS-51移位寄存器串行扩展MCS-51的UART(UniversalAsynohronousReceiver/Transmitter)有4种工作方式，其中方式0为同步移位寄存器工作方式，通过移位寄存方式，可将串行数据并行输出，也可以将并行数据串行输入。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术294.6串行扩展总线接口技术虚拟串行扩展概念:用通用I/O口来模拟串行接口，构成虚拟的串行扩展接口。只要严格控制模拟同步信号，并满足串行同步数据传送的时序要求，就可满足串行数据传送的可靠性要求。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术304.6.3I2C总线I2C总线是一种具有自动寻址、高低速设备同步和仲裁等功能的高性能串行总线，能够实现完善的全双工数据传输。I2C总线只有两根信号线：数据线SDA和时钟线SCL。各节点供电可以不同，但需共地，另外SDA和SCL需分别接上拉电阻。I2C总线传输速率为100kb/s（改进后的规范为400kb/s），总线驱动能力为400pF。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术314.6.3I2C总线第4章MCS-51单片机系统的扩展技术32一、I2C总线的接口电路结构I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成。SDA和SCL都是双向传输线，平时均处于高电平备用状态，只有当需要关闭I2C总线时，SCL线才会箝位在低电平。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术33二、I2C总线信号定义第4章MCS-51单片机系统的扩展技术34三、I2C总线的数据传送第4章MCS-51单片机系统的扩展技术35三、I2C总线的数据传送应答信号在第9个时钟位上出现，接收器在SDA线上输出低电平为应答信号（A），输出高电平为非应答信号（A）。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术36三、I2C总线的数据传送当主控器作为接收器接收被控器送来的最后一个数据时，必须给被控器发送一个非应答信号（A），令被控器释放SDA线，以便主控器可以发送停止信号来结束数据的传输。I2C总线上的应答信号是比较重要的，在编制程序时应该着重考虑。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术37四、I2C总线数据传输协议总线节点的寻址字节：主机产生起始信号后，发送的第一个字节为寻址字节。该字节的头7位（高7位）为从机地址，最后位（LSB）决定了报文的方向：0表示主机写信息到从机，1表示主机读从机中的信息。当发送了一个地址后，系统中每个器件都将头7位与自己的地址比较，如果一样器件会应答主机的寻址，至于是接收还是发送由R/W位决定。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术38四、I2C总线数据传输协议从机地址由一组固定位和一组可编程位部分构成。例如，某些器件有4个固定的位（高4位）和3个可编程的地址位（低3位），那么同一总线上共可以连接8个相同的器件。器件地址SLAR/WA0A1A2DA0DA1DA2DA3D7D0从机地址和1位方向位构成了I2C总线器件的寻址字节SLA。引脚地址第4章MCS-51单片机系统的扩展技术39I2C总线数据传输协议种类型号SLA引脚地址备注静态RAMPCF8570/711010A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0PCF8570C1011A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0E2PROMPCF85821010A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0AT24C021010A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0AT24C041010A2A1P0R/W2位数字引脚地址A2A1AT24C081010A2P1P0R/W1位数字引脚地址A2AT24C0161010P2P1P0R/W无引脚地址，A2A1A0悬空处理I/O口PCF85740100A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0PCF8574A0111A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0LED/LCD驱动控制器SAA106401110A1A0R/W2位数字引脚地址A1A0PCF8576011100A0R/W1位数字引脚地址A0PCF8578/79011110A0R/W1位数字引脚地址A0ADC/DACPCF89511001A2A1A0R/W3位数字引脚地址A2A1A0日历时钟PCF8583101000A0R/W1位数字引脚地址A0第4章MCS-51单片机系统的扩展技术40I2C总线数据传输的格式地址字节和数据字节都是高位在前，低位在后。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术41I2C总线数据传输的格式(1)主控器的写数据操作格式Adata2Adata1ASLAWSAdata2Adata1ASLAWS…PAdataNAdataN－1PA/AdataNAdataN－1(2)主控器的读数据操作格式Adata2Adata1ASAdata2Adata1ASLARS…AdataNAdataN－1PAdataNAdataN－1无论哪种工作方式，都是由主控器来启动总线，发送寻址字节和终止运行；在I2C总线接口的外围器件中，器件内部有多个地址空间时，其读写操作都有地址自动加1功能。第4章MCS-51单片机系统的扩展技术42五、51单片机与I2C总线的接口第4章MCS-51单片机系统的扩展技术43六、I2C总线数据传送软件包MCS-51只能采用虚拟I2C总线方式，并且只能用于单主系统，虚拟I2C总线接口可用通用I/O口中任一端线充任，数据线定义为SDA，时钟线定义为SCL。MCS-51单主系统虚拟I2