7_单片机系统扩展.ppt

1、课件制作：高惠芳,第7章 单片机 系统 扩展,第7章 单片机 系统 扩展,7.1 单片机最小应用系统 7.2 存储器的扩展 7.3 输入与输出口的扩展 7.4 串行口扩展,7.1 单片机最小应用系统,7.1.1 单片机最小应用系统构成 按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可以分为： 1、最小应用系统：指能维持单片机运行的最简单配置的系统。AT89S51单片机其最小应用系统即为配有晶振、复位电路和电源的单个单片机。 2、最小功耗系统 3、典型应用系统,AT89S51最小应用系统图,（1）有可供用户使用的大量I/O口线。因没有外部存储器扩展，P0、P1、P2、P3都可作用户I/O口使用

2、，注意P0口要接上拉电阻。 （2）内部RAM存储器容量有限只有128字节，4K字节EPROM。 （3）8051的应用软件写入：1、依靠半导体厂家用半导体掩膜技术置入；2、可以通过程序烧写器写入；3、对于有ISP接口的芯片，可以在线下载程序。,AT89S51单片机构成最小应用系统应用特点：,NOTE:如果需要更大容量的程序可以选用AT89S52(8KB)、AT89S53(12KB) 、AT89C55（20KB）、W77E58(32KB)、W77E516（64KB）。对于W77Exx片内还有1KB的外部RAM。对于一般的应用系统完全没有必要再扩展内存。,7.1.2 系统扩展的内容与方法,许多场合下

3、单片机内部资源是不够用的，所以需要进行功能扩展。其中主要是存储器扩展和I/O扩展，以构成一个功能更强，能满足需要的单片机应用系统。,一、为什么要进行系统扩展？,二、系统的扩展包括哪些内容？, 外部程序存储器的扩展。 外部数据存储器的扩展。 输入/输出接口的扩展。 管理功能器件的扩展(如定时/计数器、 键盘/显示器、 中断优先编码器等)。,图 2 扩展16KB SRAM和16KB EPROM,MCS-51系列单片机系统的扩展能力,片外可扩展存储器的最大容量为216=64KB，地址范围为0000HFFFFH。允许片外程序存储器和数据存储器的地址重叠。I/O接口的编址方法：一种是独立编址，另一种是统

4、一编址。MCS-51单片机采用了统一编址方式，即I/O端口地址与外部数据存储单元地址共同使用0000HFFFFH（64KB）。当MCS-51单片机应用系统扩展较多外部设备和I/O接口时，要占去大量的数据存储器的地址。,三、如何进行系统扩展？,系统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。,1. 系统总线,所谓总线，就是连接计算机各部件的一组公共信号线。MCS51使用的是并行总线结构，按其功能分为：地址总线、数据总线和控制总线。,1）AB(Address Bus)在地址总线上传送的是地址信号，用于存储单元和I/O端口的选择。地址总线是单向的，地址信号只

5、能由单片机向外送出。地址总线的数目决定着可直接访问的存储单元数目。,2）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。单片机系统数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。DB是双向的，可以进行两个方向的数据传送。,3）CB (Control Bus)控制总线实际上就是一组控制信号线，包括单片机发出的，以及从其它部件传送给单片机的。对于一条具体的控制信号线来说，其传送方向是单向的，但是由不同方向的控制信号线组合的控制总线表示为双向。,图6.1 单片机扩展系统结构图,2. 总线的构造,1。以P0口的8位口线作低8位地址/数据线。 2。以P2口的口线作高

6、位地址线 3。控制信号 .使用ALE作地址锁存的选通信号，以实现低8位地址的锁存； .以PSEN信号作扩展程序存储器的读选通信号; .以EA信号作为内外程序存储器的选择信号； .以RD和WR作为扩展数据存储器和I/O端口的读选通信号。,扩展总线构造图,扩展总线的产生,常用的地址锁存器有：74LS373、74LS273、74LS377、8282图4表示了它们在系统中的连接方法。,图,4,用作地址锁存器的常用芯片,图,5,用作地址锁存器的常用芯片,7.2 存储器的扩展,SRAM 静态随机存储器 DRAM 动态随机存储器 掩膜只读存储器 PROM 可编程只读存储器 EPROM 紫外线可擦除只读存储器

7、 EEPROM 电可擦除只读存储器 Flash 闪存,补充知识1：MCS51单片机的时序,1.外部程序存储器读周期的时序外部程序存储器读周期的时序如图6所示，用ALE的下降沿将从P0口输出的低8位地址锁存，用 信号选通程序存储器将其中的指令码送到P0口，当 上升沿时完成对P0口数据的采样。,程序存储器读周期,图 6 程序存储器读周期,2.外部数据存储器读/写周期的时序：如图7所示。指令只有四条，它们都是单字节双周期采用寄存器间接寻址的传送指令。第一个机器周期单片机完成读指令码的操作；第二个机器周期的S1开始出现 （或 ）信号，在 （或 ）的上升沿完成对外部数据存储器（或I/O口）的读（或写）操

8、作。,图,7,外部数据存储器读/写周期,外部数据存储器读周期,外部数据存储器写周期,7.2.1 程序存储器的扩展,程序存储器使用较多的是EPROM和E2PROM。EPROM型的有： 2764（8KB，13位地址线） 27128（16KB,14位地址） 27256（32KB）、27512（64KB）,1 芯片2764简介,2764可以通过紫外线照射而彻底擦除，擦除后可以重新写入新的程序。,A12A0：13条地址线，表示有个地址单元。 O7O0：8条数据线，表示地址单元数据字长8位。 /CE：片选控制输入端，低有效。 /OE：读出控制输入端，低有效。 Vcc：工作电源5V。,2764存储器扩展的主

9、要内容：地址线、数据线和控制线的连接。,A)地址线的连接 低位地址线的连接与存储芯片的容量有关。2764的容量为8KB，须13位地址(A12A0)进行存储单元编址。,2. 程序存储器扩展举例,B)数据线的连接 数据输出引脚与单片机P0口对应连接 C)控制线的连接 程序存储器的扩展只涉及PSEN,把该信号连接到2764的OE引脚,用于存储器读出选通。EA = 0，允许程序存储器扩展。,ALE,图 7.2.2 8k程序存储器扩展,7.2.2 数据存储器的扩展,单片机扩展数据存储器通常采用静态RAM（SRAM）芯片， 常用的有： 6116（2KB, 11位地址线）、 6264（8KB，13位地址线）

10、、 62256（32KB，15位地址线）等。,1 芯片6264介绍,A10A0：地址线 I/0 7I/0 0：数据线（D7D0） /CE：片选信号 /OE：数据输出允许信号 /WE：写选通信号 VCC：电源（+5V） GND：地,2.数据存储器扩展举例,6264存储器扩展的主要内容：地址线、数据线和控制线的连接。,A)地址线的连接 低位地址线的连接与存储芯片的容量有关。6264的容量为8KB，须13位地址(A12A0)进行存储单元编址。,B)数据线的连接 数据输出引脚与单片机P0口对应连接 C)控制线的连接 数据存储器是使用/RD和/WR分别作为读，写选通信号。以/RD接/OE，/WR接/WE

11、，进行RAM芯片的读写控制。由于只有一片6264，所以没有使用片选信号，而把/CE端直接接地。,图 7.2.4 8k数据存储器扩展,补充知识2：存储器并行扩展与编址技术,所谓存储器编址，就是如何使用系统提供的地址线，通过适当的连接，最终达到系统中的一个存储单元只唯一对应一个地址的技术。 注：芯片内存储单元已经编址，只有扩展存储器才有编址的问题。,7.2.3 存储器综合扩展,存储器编址分两个层次： 1）芯片内部存储单元的编址 2）存储芯片的选择（系统空间分配） 系统空间分配通过适当的地址线产生各外部扩展器件的片选/使能等信号就是系统空间分配。 编址技术：线选法译码法,1。线选法,所谓线选法，就是

12、直接以系统的地址位作为存储芯片的片选信号，为此只需把用到的地址线与存储芯片的片选端直接连接即可。 特点：简单明了，不需要另外增加电路。 缺点：存储空间的使用是断续的，不能充分利用存储空间，扩充存储容量受限制。,线选法寻址,图 8 用线选法实现片选,各芯片的地址范围如下:,2。译码法,译码法寻址就是利用地址译码器对系统的片外高位地址进行译码, 以其译码输出作为存储器芯片的片选信号, 将地址划分为连续的地址空间块, 避免了地址的间断。 译码法仍用低位地址线对每片内的存储单元进行寻址, 而高位地址线经过译码器译码后输出作为各芯片的片选信号。常用的地址译码器是 3/8 译码器 74LS138、 74L

13、S139 。 ,2译码片选法 3-8 地址译码器：74LS138,存储器扩展连接如图 9 所示。,图 9 采用地址译码器扩展存储器的连接图,分配地址范围,当单片机外接芯片较多，超出总线负载能力，必须加总线驱动器。,单向驱动器74LS244用于 地址总线驱动 双向驱动器74LS245用于 数据总线驱动,微型机总线扩展驱动,7.2.3 存储器综合扩展,译码法。 程序存储器2764的选通地址为 X110 0000 0000 0000BX111 1111 1111 1111B， 中间的数据存储器6264的选通地址为 X100 0000 0000 0000BX101 1111 1111 1111B， 右

14、边的数据存储器的选通地址为 X010 0000 0000 0000BX011 1111 1111 1111B。,7.2.4 闪速存储器及其扩展,FLASHROM AT29C256芯片的容量为32KB，,主要引脚功能如下： A0A14：地址线。 I/O0一I/O7：三态双向数据线。 /CS ：片选信号线，低电平输入有效。 /OE：输出允许(读允许)信号线，低电平输入有效。 /WE：写允许信号线，低电平输入有效。,（1）读操作 当/CS=0，/OE=0，/WE=1时，被选中单元的内容读出到双向数据线I/O0I/O7上。 （2）写操作 外部数据写入29C256芯片时，数据要先装入其内部锁存器，装入时

15、/CS=0，/OE=1，/WE=0，数据写入以页为单位进行， 说明：即要改写某一单元的内容，相应的整页都要重写，没有被装入的字节内容被写成0FFH，在写入过程中，或在上升沿之后的150ns内，要再次有效，以便写入新的字节，整个写入周期中应64次有效。当某次上升沿后150ns内，没有出现下降沿，则装入周期结束，开始内部的写入周期。,2MCS-51单片机与AT29C256的接口,NOTE:以上扩展方法与数据存储器的扩展方法相同，单片机访问它时，可以使用MOVC指令也可以使用MOVX指令。,图7.2.7 80C51单片机与AT29C256芯片典型的接口电路图,7.3 输入与输出口的扩展,在51单片机

16、中扩展的I/O口采用与片外数据存储器相同的寻址方法，所有扩展的I/O口，以及通过扩展I/O口连接的外设都与片外RAM统一编址，因此，对片外I/O口的输入/输出指令就是访问片外RAM的指令，即： MOVX DPTR,A MOVX Ri,A MOVX A,DPTR MOVX A,Ri,扩展I/O口的方法有三种： 简单的I/O口扩展、 采用可编程的并行I/O接口芯片扩展 利用串行口进行I/O口的扩展。,7.3.1 简单的并行I/O接口扩展,一I/O 接口地位 二 I/O 接口作用 三 I/O 编址技术 四 I/O 数据的四种传送方式 五 I/O 接口的类型,补充：IO接口概述,一I/O 接口地位 I

17、/O 接口处于外设与CPU之间， 是CPU与外设间的桥梁与通道。 二 I/O 接口作用 CPU与外设速度匹配 （输入缓冲，输出锁存） 数据转换；如：串/并，A/D，D/A 电平转换； 实现地址译码，总线隔离；,三I/O 编址技术 1、接口与端口 接口：指CPU与外设间的I/O接 口芯片。 端口： I/O芯片内可寻址的数据 寄存器或缓冲器。 2、I/O编址I/O与RAM独立编址（地址重叠，两套访问指令）I/O与RAM统一编址（存储器直接映像）,8255内部结构,四 I/O 数据的四种传送方式 1、无条件传送方式 无条件传送也称为同步程序传送。 无条件传送适用于以下两类外部设备的数据输入输出 具有

18、常驻的或变化缓慢的数据信号的外部设备。 例如:机械开关、数码管等。 工作速度非常快,足以和CPU同步工作的外部设备。 例如数/模转换器DAC,由于DAC是并行工和的,速度很快,因此CPU可以随时向其传送数据,进行数/模转换.,四 I/O 数据的四种传送方式 2、程序查询方式查询方式又称之为有条件传送方式。适用于各种外部的设备的数据输入输出传送但查询过程占用CPU，查询方式只能适用于单项作业、规模比较小的计算机系统.,四I/O 数据的四种传送方式 3、程序中断方式程序中断方式与查询方式的主要区别程序中断方式,大大提高了系统的效率中断处理常需现场保护和现场恢复 4、DMA方式（Direct Mem

19、ory Access）适合批量传送数据传送速度极快,7.3.1 单片机简单I/O扩展,一 简单输入口扩展操作指令：MOVX A, DPTR (控制信号：RD)适用：控制简单外设，如开关量输入。 常用芯片：74LS244/245, 8286/8287特点：三态输出，片选信号无效时，输出高阻应用电路：注意建立有效地址以及使能端。,74LS244真值表,应用程序设计举例： MOV DPTR, #0BFFFH; P2.6=0 MOVX A, DPTR ;RD=0,变量 = XBYTE0XBFFF,7.3.1 单片机简单I/O扩展,二 简单输出口扩展操作指令：MOVX DPTR， A (控制信号：WR)

20、适用：控制简单外设，如驱动发光二极管， 数码管等。 常用芯片：74LS373/377, 8282/8283特点：输出锁存，以使速度匹配应用电路：注意建立有效地址以及锁存信号。,74LS377真值表,应用程序设计举例： MOV DPTR, #7FFFH ; P2.7=0 MOVX DPTR, A ;WR =0,应用程序设计举例： XBYTE0X7FFF = 变量,7.3.1 单片机简单I/O扩展,三 简单输入/输出口应用举例 将74LS244的输入端接8个开关用来设置数据,将74LS273的输出端接8个LED用来显示数据, 应用电路：程序设计：,应用程序设计举例： LOOP: MOV DPTR,

21、 #0FEFFH ; P2.0=0 MOVX A , DPTR ;从244输入数据 MOVX DPTR, A ;从273输出数据 LCALL DELAY ; 延时 LJMP LOOP DELAY: RET END,C程序,include #include #define EXIO XBYTE0xFEFF /定义扩展IO的地址为0xEFFF Unsigned char xdata *io_adr; Main() io_adr = ,DAC/ADC总线方式连接,常用芯片：,7.3.2 用8255扩展并行I/O接口,18255 的电路结构和功能 8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片

22、，有3个8位并行I/O口，具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程，所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。,3个逻辑电路部分： 口电路 总线接口电路 控制逻辑电路,7.3.2.1 8255硬件逻辑结构,3个逻辑电路部分： 口电路 总线接口电路 控制逻辑电路,1

23、、口电路,3个8位口：,A口、B口： 单纯的数据口，供数据I/O 使用,C口： 既可以作数据口，又可以 作控制口使用，用于实现 A口和B口的控制功能,C口分为两部分：,数据传送中A口需要的控制信号 由C口高位部分提供，因此把A 口和C口高位部分合在一起称之 为A组；,同样，把B口和C口低位部分合 在一起称之为B组,2、总线接口电路,用于实现8255A和单片 机芯片的信号连接,（1）数据总线缓冲器,为8位双向三态缓冲 器，直接与单片机 的数据线相连，与 I/O操作有关的数据、 控制字和状态信息都 是通过该缓冲器进行 传送,（2）读/写控制逻辑,3、控制逻辑电路,包括A组控制和B 组控制，合在一

24、起构成8位控制寄 存器。用于存放 编程命令和实现 各口的操作控制,*4. 中断控制电路,8255逻辑电路中还包含一个中断控制电路。 中断控制电路中对应A、B两个口各有一个中断触发器， 即触发器A和触发器B，用于对中断的允许和禁止进行 控制。置位为允许，复位为禁止。,对两个触发器的置位和复位控制是通过口C的有关位进行 的，具体划分是： 在输入方式下，PC4对应触发器A，PC2对应触发器B； 在输出方式下，PC6对应触发器A，PC2对应触发器B。,7.3.2.2 8255芯片引脚与CPU的连接,图7.3.3 AT89C52与8255的3总线连接,（1）数据总线DB引脚,8255的数据总线DB有8根

25、：D0D7。因为AT89C52用其P0口作为数据总线口，所以AT89C52的P0.0P0.7与8255的D0D7进行连接。,（2）地址总线AB引脚,8255的地址线AB有两根：A0A1。A0、A1通过74HC373锁存器与AT89C52的P0.0、P0.1连接。A1A0取0011值，可选择A、B、C口与控制寄存器，选择方法如下： A1A0=00：选择A口。 A1A0=01：选择B口。 A1A0=10：选择C口。 A1A0=11：选择控制寄存器。,（3）控制总线CB 片选信号CS：由P2.5P2.7经138译码器Y7产生。若要选中8255，则Y7必须有效，即为低电平，此时P2.7P2.6P2.5

26、=111。由此可推知各口地址如下： A口：111xx00=E000H（当xx=00时）。 B口：111xx01=E001H（当xx=00时）。 C口：111xx10=E002H（当xx=00时）。 控制口: 111xx11=E003H（当xx=00时）。 其中，xx表示取值可任意，以各口地址不唯一。为了今后叙述方便，后面程序中8255的地址将全部使用E000HE003H。 注意：此处要说明的是单片机与8255的连接方法是多种多样的，8255各口地址也随连接方式而变化。因此，读者在使用不同单片机系统时，8255的各口地址不会是上面所推导的E000HE003H,（3）控制总线CB, 读信号：825

27、5的读信号与AT89C52的相连。 写信号：8255的写信号与AT89C52的相连。 复位信号RST：8255的复位信号RST与AT89C52的RST相连。,（4）3个通道引脚, A口的8个引脚PA0PA7与外设连接，用于8位数据的输入与输出。 B口的8个引脚PB0PB7与外设连接，用于8位数据的输入与输出。 C口的8个引脚PC0PC7与外设连接，用于8位数据的输入与输出或通信线。,38255的工作方式,*补充：8255A的工作方式,8255A的工作方式,3种工作方式,方式0,方式1,方式2,1.方式0 基本输入/输出方式,可供使用的是两个8位口（A口和B口）及两个4位口（C口高位部分和低位部

28、分）。,4个口可以是输入和输出的任何组合,适用于无条件数据传送，也可以把C口的某一位作为状 态位，实现查询方式的数据传送,在方式0下，4个口可以有16种输入/输出组合，分别为： A输入B输入C高位输入C低位输入 A输入B输入C高位输入C低位输出 A输入B输出C高位输出C低位输出 A输出B输出C高位输出C低位输出,2.方式1 选通输入/输出方式,A口和B口是数据口， C口是控制口，用于传送和保存数据口所需要的联络信号,方式1是选通输入/输出方式,选通是通过信号的问与答，以联络方式（或称握手方式） 实现的。方式1适用于以查询或中断方式进行控制。,A口和B口的联络信号都是3个，因此： 如果A或B只有

29、一个口按方式1使用，需占用11位（8+3=11）口线，则剩下的另外13位口线仍可按方式0使用。,如果两个口都按方式1使用，则还剩下2位口线，这两位口线仍然可以进行位状态的输入输出。,方式1适用于查询或中断方式的数据输入/输出,3. 方式2 双向数据传送方式,只有A口才能选择这种工作方式，这时A口既能输入 数据又能输出数据,方式2需使用C口的5位口线作控制线，适用于查询或中 断方式的双向数据传送。,如果把A口置于方式2下，则B口只能工作于方式0,两种命令,工作方式命令,C口位置位/复位命令,1、工作方式命令,用于确定各数据口的工作方式及数据传送方向,48255初始化, A口有三种工作方式B口只有

30、两种工作方式, 在方式1或方式2下，对C口的定义不影响作为联络线使用的C口各位功能, 最高位（ ）是标志位，其状态固定为“1”，用于表明本字节是工作方式命令,例7.3.1 按照图7.3.4中8255与AT89C52的连接图对8255初始化编程。 A、B、C口均为基本I/O输出方式。 A口与上C口为基本I/O输出方式，B口与下C口为基本I/O输入方式。 A口为应答I/O输入方式，B口为应答I/O输出方式。,3、初始化编程,8255A初始化的内容就是向控制字寄存器写入工作方式命令和C口位置位/复位命令。工作方式字应输入控制寄存器，按上面的连接方式，控制寄存器的地址为E003H。, A、B、C口均为

31、基本I/O输出方式,解：8255的初始化程序为： （1）#include #include #define COM8255 XBYTE0xe003/ 定义8255控制寄存器地址 #define uchar unsigned char void init8255(void) COM8255=0x80; /*工作方式选择字送入8255控制寄存器,设置A、B、C口均为基本I/O输出方式 */ , A口与上C口为基本I/O输出方式，B口与下C口为基本I/O输入方式。,#include #define COM8255 0xe003 /*定义8255控制寄存器地址 */ void init8255(voi

32、d) XBYTE COM8255=0x83; /*工作方式选择字送入8255 控制寄存器,设置A、C口为 基本I/O输出方式，B、C 口为基本I/O输入方式*/ , A口为应答I/O输入方式，B口为应答I/O输出方式。,uchar xdata COM8255 _at_ 0xe003; /*定义8255控制寄存器地址*/ void init8255(void) COM8255=0xb4; /*工作方式选择字送入8255控制寄存 器，设置A、B、C口为基本I/O输出 方式 */,2、C口位置位/复位命令,C口用来定义控制信号和状态信号，C口的每一位都可以 进行置位或复位。, D7是该控制字的标志，

33、其状态固定为0, 每次只能对C口中的一位进行置位或复位,5. 8255应用举例,例7.3.2 按照图7.3.3中8255与AT89C52的连接图，用8255C口的PC3引脚向外输出连续的正方波信号，频率为1000Hz。,#include #include #define PA8255 XBYTE0xe000 /* 定义8255A口地址 */ #define PB8255 XBYTE0xe001 /* 定义8255B口地址 */ #define PC8255 XBYTE0xe002 /* 定义8255C口地址 */ #define COM8255 XBYTE0xe003 /* 定义8255控制寄存器地址 */ #define uchar unsigned char extern void delay_500us(); /*外部函数，延迟0.5ms*/ void init8255(void) COM8255=0x80; /*工作方式选择字送入8255控制寄存器， 设置A、B、C口为基本I/O输出方式 */ void main(void) for(;) COM8255=0x07; /*PC3置1*/ delay_500us(); /*延时0.5ms*/ COM8255=0x06; /*PC3清0*/ delay_500us(); /*延时0.5ms*/ ,