第七章單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展

1、第第7章章 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展 系統(tǒng)擴(kuò)展概述系統(tǒng)擴(kuò)展概述 7.1.1 最小應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展是以基本的最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的, 故應(yīng)首先熟悉最小應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 實(shí)際上, 內(nèi)部帶有程序存儲器的8051或8751單片機(jī)本身就是一個(gè)最簡單的最小應(yīng)用系統(tǒng),許多實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)就是用這種成本低和體積小的單片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高性能的控制。 對于目前國內(nèi)較多采用的內(nèi)部無程序存儲器的芯片8031來說, 則要用外接程序存儲器的方法才能構(gòu)成一個(gè)最小應(yīng)用系統(tǒng)。 1. 片內(nèi)帶程序存儲器的最小應(yīng)用系統(tǒng) 片內(nèi)帶程序存儲器的8051、 8751本身即可構(gòu)成一片最小系統(tǒng), 只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可, 同

2、時(shí) 接高電平, ALE、 信號不用, 系統(tǒng)就可以工作。 如圖1(a)所示該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下: (1) 系統(tǒng)有大量的I/O線可供用戶使用: P0、 P1、 P2、 P3四個(gè)口都可以作為I/O口使用。 (2) 內(nèi)部存儲器的容量有限, 只有128 B的RAM和4 KB的程序存儲器。 EAPSEN (3) 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)具有特殊性, 由于應(yīng)用系統(tǒng)的P0口、 P2口在開發(fā)時(shí)需要作為數(shù)據(jù)、 地址總線, 故這兩個(gè)口上的硬件調(diào)試只能用模擬的方法進(jìn)行。 8051的應(yīng)用軟件須依靠廠家用掩膜技術(shù)置入, 故一般只適用于可作大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)。 2. 片內(nèi)無程序存儲器的最小應(yīng)用系統(tǒng) 片內(nèi)無程序存儲器的芯片構(gòu)成最小應(yīng)用系

3、統(tǒng)時(shí), 必須在片外擴(kuò)展程序存儲器。 由于一般用作程序存儲器的EPROM芯片不能鎖存地址, 故擴(kuò)展時(shí)還應(yīng)加1個(gè)鎖存器, 構(gòu)成一個(gè)3片最小系統(tǒng), 如圖1(b)所示。 該圖中74LS373為地址鎖存器, 用于鎖存低8位地址。 圖1 MCS51系列最小化系統(tǒng) 7.1.2 系統(tǒng)擴(kuò)展的內(nèi)容與方法 1. 單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu) 當(dāng)單片機(jī)最小系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能的要求時(shí), 就需要進(jìn)行擴(kuò)展。 為了使單片機(jī)能方便地與各種擴(kuò)展芯片連接, 常將單片機(jī)的外部連線變?yōu)橐话愕奈⑿陀?jì)算機(jī)3總線結(jié)構(gòu)形式。 對于MCS-51系列單片機(jī), 其3總線由下列通道口的引線組成: 地址總線: 由P2口提供高8位地址線, 此口具有輸出鎖存的功能

4、, 能保留地址信息。 由P0口提供低8位地址線。 數(shù)據(jù)總線: 由P0口提供。 此口是雙向、 輸入三態(tài)控制的8位通道口。 控制總線: 擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)常用的控制信號為: ALE地址鎖存信號, 用以實(shí)現(xiàn)對低8位地址的鎖存。 片外程序存儲器取指信號。 片外數(shù)據(jù)存儲器讀信號。 片外數(shù)據(jù)存儲器寫信號。 圖2為單片機(jī)擴(kuò)展成3總線結(jié)構(gòu)的示意圖。這樣一來, 擴(kuò)展芯片與主機(jī)的連接方法同一般3總線結(jié)構(gòu)的微型計(jì)算機(jī)就完全一樣了。 對于MCS-51系列單片機(jī)而言, Intel 公司專門為它們配套生產(chǎn)了一些專用外圍芯片, 使用起來就更加方便。 PSENRDWR圖2 單片機(jī)的3總線結(jié)構(gòu)形式 2. 系統(tǒng)擴(kuò)展的內(nèi)容與方法 (1)

5、系統(tǒng)的擴(kuò)展一般有以下幾方面的內(nèi)容: 外部程序存儲器的擴(kuò)展; 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展; 輸入/輸出接口的擴(kuò)展; 管理功能器件的擴(kuò)展(如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、 鍵盤/顯示器、 中斷優(yōu)先編碼器等)。 (2) 系統(tǒng)擴(kuò)展的基本方法: 使用TTL中小規(guī)模集成電路進(jìn)行擴(kuò)展。 采用Intel MCS-80/85微處理器外圍芯片來擴(kuò)展。 采用為MCS-48系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的一些外圍芯片, 其中許多芯片可直接與MCS-51系列單片機(jī)連用。 采用與MCS-80/85外圍芯片兼容的其它一些通用標(biāo)準(zhǔn)芯片。 常用的擴(kuò)展器件簡介常用的擴(kuò)展器件簡介 在MCS51單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展中常用的擴(kuò)展器件如表1所示。 現(xiàn)將另外幾種常用器件簡介如下。

6、表1 MCS51單片機(jī)常用的擴(kuò)展器件 7.2.1 8D鎖存器74LS373 74LS373是一種帶輸出三態(tài)門的8D鎖存器， 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。 其中： 1D8D為8個(gè)輸入端。 1Q8Q為8個(gè)輸出端。 G為數(shù)據(jù)打入端： 當(dāng)G為“1”時(shí)， 鎖存器輸出狀態(tài)(1Q8Q)同輸入狀態(tài)(1D8D)； 當(dāng)G由“1”變“0”時(shí)， 數(shù)據(jù)打入鎖存器中。 圖3 74LS373的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 74LS373用作地址鎖存器 7.2.2 總線驅(qū)動(dòng)器74LS244, 74LS245 總線驅(qū)動(dòng)器74LS244和74LS245經(jīng)常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器， 74LS244為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，而74LS245為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩

7、沖器。 單向的內(nèi)部有8個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器， 分成兩組， 分別由控制端 和 控制； 雙向的有16個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器， 每個(gè)方向8個(gè)。 在控制端 有效時(shí)， 由DIR端控制驅(qū)動(dòng)方向： DIR為“1”時(shí)方向從左到右(輸出允許)， DIR為“0”時(shí)方向從右到左(輸入允許)。 74LS244和74LS245的引腳圖如圖5所示。 1G2GG 圖5 總線驅(qū)動(dòng)器芯片管腳圖(a) 單向驅(qū)動(dòng)器74LS244; (b) 雙向驅(qū)動(dòng)器74LS245 P2口如外接總線驅(qū)動(dòng)器， 可用單向的72LS244, 其連接圖如圖6(a)所示。 它的兩個(gè)控制端 和 均接地， 相當(dāng)于8個(gè)三態(tài)門均打開， 數(shù)據(jù)從P2口到A8A15端直通， 也就是說。 此

8、處采用74LS244純粹是為了增加驅(qū)動(dòng)能力而不加任何控制。 1G2G 圖6 總線驅(qū)動(dòng)器的連接圖(a) P2口外接74LS244; (b) P0口外接74LS245 7.2.3 38譯碼器74LS138 38譯碼器74LS138為一種常用的地址譯碼器芯片， 其管腳圖如圖47所示。 其中， , 個(gè)控制端， 只有當(dāng)G1為“”且 , 均為“0”時(shí)， 譯碼器才能進(jìn)行譯碼輸出。 否則譯碼器的8個(gè)輸出端全為高阻狀態(tài)。 譯碼輸入端與輸出端之間的譯碼關(guān)系如表2所示。 具體使用時(shí)， G1、 與 既可直接接至+5 V端或地， 也可參與地址譯碼。 但其譯碼關(guān)系必須為100。 需要時(shí)也可通過反相器使輸入信號符合要求。

9、2G A2GB2G A2GB2G A2GB圖7 74LS138管腳圖 表2 74LS138的譯碼關(guān)系 存儲器的擴(kuò)展存儲器的擴(kuò)展 7.3.1 存儲器擴(kuò)展概述 MCS-51系列單片機(jī)具有64 KB的程序存儲器空間， 其中8051、 8751型單片機(jī)含有4 KB 的片內(nèi)程序存儲器, 而8031型單片機(jī)則無片內(nèi)程序存儲器。 當(dāng)采用8051、 8751型單片機(jī)而程序超過4 KB, 或采用8031型單片機(jī)時(shí), 就需要進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展。 MCS-51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的地址空間是互相獨(dú)立的, 其片外數(shù)據(jù)存儲器的空間可達(dá)64 KB, 而片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器空間只有128 B。 如果片內(nèi)的數(shù)據(jù)存

10、儲器不夠用時(shí), 則需進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。 存儲器擴(kuò)展的核心問題是存儲器的編址問題。 所謂編址就是給存儲單元分配地址。 由于存儲器通常由多片芯片組成, 為此存儲器的編址分為兩個(gè)層次: 即存儲器芯片的選擇和存儲器芯片內(nèi)部存儲單元的選擇。 存儲器芯片的選擇有兩種方法: 線選法和譯碼法。 1. 線選法 所謂線選法, 就是直接以系統(tǒng)的地址線作為存儲器芯片的片選信號, 為此只需把用到的地址線與存儲器芯片的片選端直接相連即可。 2. 譯碼法 所謂譯碼法就是使用地址譯碼器對系統(tǒng)的片外地址進(jìn)行譯碼, 以其譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。 譯碼法又分為完全譯碼和部分譯碼兩種。 (1) 完全譯碼。 地址譯碼器使

11、用了全部地址線， 地址與存儲單元一一對應(yīng)， 也就是1個(gè)存儲單元只占用1個(gè)唯一的地址。 (2) 部分譯碼。 地址譯碼器僅使用了部分地址線， 地址與存儲單元不是一一對應(yīng)， 而是1個(gè)存儲單元占用了幾個(gè)地址。 1根地址線不接， 一個(gè)單元占用2(21)個(gè)地址； 2根地址線不接， 一個(gè)單元占用4(22)個(gè)地址； 3根地址線不接， 則占用8(23)個(gè)地址， 依此類推。 在設(shè)計(jì)地址譯碼器電路時(shí)， 如果采用地址譯碼關(guān)系圖的話， 將會帶來很大的方便。 所謂地址譯碼關(guān)系圖， 就是一種用簡單的符號來表示全部地址譯碼關(guān)系的示意圖。 例如： A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 .

12、0100X X X X X X X X X X X 從地址譯碼關(guān)系圖上可以看出以下幾點(diǎn)： 屬完全譯碼還是部分譯碼； 片內(nèi)譯碼線和片外譯碼線各有多少根； 所占用的全部地址范圍為多少。 例如在上面的關(guān)系圖中， 有1個(gè)“”(A15不接)， 表示為部分譯碼， 每個(gè)單元占用2個(gè)地址。 片內(nèi)譯碼線有11根(A100), 片外譯碼線有4根。 其所占用的地址范圍如下： 當(dāng)A15為0時(shí)， 所占用地址為00100000000000000010011111111111， 即2000H27FFH。 當(dāng)A15為1時(shí)， 所占用地址為10100000000000001010011111111111, 即A000HA7FFH

13、。 共占用了兩組地址， 這兩組地址在使用中同樣有效。 應(yīng)該指出的是, 隨著半導(dǎo)體存儲器的不斷發(fā)展, 大容量、 高性能、 低價(jià)格的存儲器不斷推出, 這就使得存儲器的擴(kuò)展變得更加方便, 譯碼電路也越來越簡單了。 7.3.2 程序存儲器的擴(kuò)展 1. 只讀存儲器簡介 半導(dǎo)體存儲器分為隨機(jī)存取存儲器(Random Access Memory)和只讀存儲器 (Read Only Memory)兩大類, 前者主要用于存放數(shù)據(jù), 后者主要用于存放程序。 只讀存儲器是由MOS管陣列構(gòu)成的, 以MOS管的接通或斷開來存儲二進(jìn)制信息。 按照程序要求確定ROM存儲陣列中各MOS管狀態(tài)的過程叫做ROM編程。 根據(jù)編程方

14、式的不同, ROM可分為以下3種: 1) 掩膜ROM 掩膜ROM簡稱為ROM, 其編程是由半導(dǎo)體制造廠家完成的, 即在生產(chǎn)過程中進(jìn)行編程。 2) 可編程ROM(PROM) PROM芯片出廠時(shí)并沒有任何程序信息, 其程序是由用戶寫入的, 與掩膜ROM相比, 有了一定的靈活性, 批量也不一定很大。 3) 可擦除ROM(EPROM或EEPROM) 可擦除ROM芯片的內(nèi)容由用戶寫入, 并允許反復(fù)擦除重新寫入。 EEPROM芯片每個(gè)字節(jié)可改寫萬次以上, 信息的保存期大于10年。 這種芯片給計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)帶來很大的方便, 不僅可以修改參數(shù), 而且斷電后能保存數(shù)據(jù)。 它的缺點(diǎn)是價(jià)格偏高。 2. EPROM2

15、764簡介 1) 2764的引腳 自從EPROM2716芯片被逐漸淘汰后, 目前比較廣泛采用的是2764芯片。該芯片為雙列直插式28引腳的標(biāo)準(zhǔn)芯片, 容量為8K8位, 其管腳如圖8所示。 圖8 EPROM2764引腳圖 其中: A12A0: 13位地址線。 D7D0: 8位數(shù)據(jù)線。 : 片選信號, 低電平有效。 : 輸出允許信號, 當(dāng) 時(shí), 輸出緩沖器打開, 被尋址單元的內(nèi)容才能被讀出。 VPP: 編程電源, 當(dāng)芯片編程時(shí), 該端加上編程電壓 (+25 V或+12 V); 正常使用時(shí), 該端加+5 V電源。 (NC為不用的管腳)。 CEOEOE 2) 2764的工作時(shí)序 2764在使用時(shí)， 只

16、能將其所存儲的內(nèi)容讀出， 其過程與RAM的讀出十分類似。 即首先送出要讀出的單元地址， 然后使 和 均有效(低電平)， 則在芯片的D0D7數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的內(nèi)容。 其過程的時(shí)序關(guān)系如圖9所示。CEOE圖9 EPROM2764的讀出時(shí)序 3) 2764的編程 EPROM的一個(gè)重要特點(diǎn)就在于它可以反復(fù)擦除， 即在其存儲的內(nèi)容擦除后可通過編程(重新)寫入新的內(nèi)容。 這就為用戶調(diào)試和修改程序帶來很大的方便。 EPROM的編程過程如下： (1) 擦除： 如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片， 則它是干凈的。 干凈的標(biāo)志通常是每一個(gè)存儲單元的內(nèi)容都是FFH。 (2) 編程： EPROM的編程有兩

17、種方式： 標(biāo)準(zhǔn)編程和靈巧編程。 這里應(yīng)注意的是， 對于不同型號、 不同廠家生產(chǎn)的EPROM芯片， 其編程電壓Vpp是不一樣的， 有+12 V, +18 V, +21 V, +24 V等數(shù)種。 編程時(shí)一定要根據(jù)芯片所要求的電壓來編程。 若不注意， 極易燒壞芯片。圖10 靈巧編程時(shí)序圖 3. 程序存儲器擴(kuò)展舉例 現(xiàn)分3種情況說明程序存儲器的擴(kuò)展方法。 (1) 不用片外譯碼的單片程序存儲器的擴(kuò)展。 例1: 試用EPROM2764構(gòu)成8031的最小系統(tǒng)。 解: 由于8031無片內(nèi)程序存儲器, 因此必須外接程序存儲器以構(gòu)成最小系統(tǒng)。 其連接方法是在圖2的基礎(chǔ)上, 將2764按3總線的要求連接, 其連接的

18、關(guān)鍵在于地址譯碼。 由于一般所采用的芯片其字節(jié)數(shù)均超過256個(gè)單元, 也就是說片內(nèi)地址線超過8條, 故地址譯碼的核心問題是高8位地址線的連接。圖12 2764與8031的連接圖 (2) 采用線選法的多片程序存儲器的擴(kuò)展。 例2: 在圖13所示的連接圖中, 使用了兩片2764, 一共構(gòu)成了8 K2=16 K的有效地址?，F(xiàn)采用線選法編址, 以P2.7(A15)直接作為片選信號, 當(dāng)P2.7= 0 時(shí), 選中左邊1片2764, 其地址范圍為0000H1FFFH; 當(dāng)P2.7=1 時(shí), 選中右邊1片 2764 , 其地址范圍為8000H9FFFH。 這是部分譯碼, 有2根地址線未接, 1個(gè)單元要占用2

19、2=4個(gè)地址號。 以上只是4組地址中的1組。 若需地址連續(xù)的話 , 可 取 如 下 1 組 地 址 : 6 0 0 0 H 7 F F F H 和8000H9FFFH。 (3) 采用地址譯碼器的多片程序存儲器的擴(kuò)展。 圖13 兩片程序存儲器擴(kuò)展連接圖 例3: 要求用2764芯片擴(kuò)展 8031 的片外程序存儲器空間, 分配的地址范圍為 0000H3FFFH。 解： 本例采用完全譯碼的方法, 即所有地址線全部連接, 每個(gè)單元只占用唯一的1個(gè)地址。 確定片數(shù): 字片數(shù)為 字片數(shù)= (末地址-首地址)+1 芯片字?jǐn)?shù) = (3FFFH-0000H) +12000H = 4000H 2000H =2(片)

20、 分配地址范圍: 第1組(1片)所占用的地址范圍為: 0000000000000000 0000H 0001111111111111 1FFFH第2組(1片)所占用的地址范圍為: 0010000000000000 2000H 0011111111111111 3FFFH 位片數(shù)為 位片數(shù)= 單元位數(shù) 芯片位數(shù) = 88 總片數(shù)=字片數(shù)位片數(shù)=21=2(片) 畫出地址譯碼關(guān)系圖: 第1組 000X X X X X X X X X X X X XP2.7P2.6P2.5P2.4 P2.0 P0.7 P0.0 (A15)(A14)(A13)(A12) (A8)(A7) (A0)001X X X X

21、X X X X X X X X X 第2組 上面打部分為片內(nèi)譯碼, 對于2764來說有13位, 其地址變化范圍為從全0變到全1, 其余部分為片外譯碼。 設(shè)計(jì)外譯碼電路: 本例只介紹采用譯碼器芯片的設(shè)計(jì)方法, 現(xiàn)采用3-8譯碼器74LS138。 片外譯碼只有3根線(P2.7, P2.6, P2.5)， 分別接至譯碼器的C、 B、 A輸入端。 控制端G1, , 不參與譯碼， 接成常有效。 如圖14所示。 2G A2G B圖14 74LS138譯碼器連接圖 畫出存儲器擴(kuò)展連接圖: 該連接圖如圖15所示。 圖中3-8譯碼器74LS138只用了兩個(gè)譯碼輸出端, 如果需要的話, 還可利用其余6個(gè)譯碼輸出端

22、。 圖15 采用地址譯碼器擴(kuò)展程序存儲器的連接圖 例4： 圖14中38譯碼器74LS138的譯碼輸出端 和 所對應(yīng)的地址范圍各為多少? 解 ： 對 于 來 說 ， 其 地 址 變 化 范 圍 為10000000000000001001111111111111, 即8000H9FFFH。 對 于 來 說 ， 其 地 址 變 化 范 圍 為10100000000000001011111111111111, 即A000HBFFFH。4Y5Y4Y5Y 7.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 1. 數(shù)據(jù)存儲器概述 數(shù)據(jù)存儲器即隨機(jī)存取存儲器(Random Access Memory), 簡稱RAM, 用于存放可隨

23、時(shí)修改的數(shù)據(jù)信息。 它與ROM不同, 對RAM可以進(jìn)行讀、 寫兩種操作。 RAM為易失性存儲器, 斷電后所存信息立即消失。 按其工作方式, RAM又分為靜態(tài)(SRAM)和動(dòng)態(tài)(DRAM)兩種。 靜態(tài)RAM只要電源加上, 所存信息就能可靠保存。 2. 靜態(tài)RAM6264簡介 6264是8 K8位的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器芯片, 采用CMOS工藝制造, 為28 引腳雙列直插式封裝, 其引腳圖如圖16所示。 圖16 RAM 6264引腳圖 3. 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展舉例 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展與程序存儲器的擴(kuò)展相類似, 不同之處主要在于控制信號的接法不一樣, 不用 信號, 而用 和 信號, 且直接與數(shù)據(jù)存儲器的 端和 端相連即可。 圖17為外擴(kuò)1片6264的連接圖。 采用線選法， 將片選信號 與P2.7相連， 片選信號CE2與P2.6相連。 其地址譯碼關(guān)系為： PSENRDWROEWE1CE01.X X X X X X X X X X X X XA15A14A13A12A11A10 A0 所占用的地址為：第1組 4000H5FFFH (A