第6章 擴(kuò)展技術(shù)

第6章MCS-51系列單片機(jī)的擴(kuò)展技術(shù)

學(xué)習(xí)重點(diǎn)掌握單片機(jī)三總線的形成。掌握單片機(jī)訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)序。掌握單片機(jī)擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程方法（匯編和C語(yǔ)言）。常用接口電路芯片譯碼器74LS138緩沖器74LS244,74LS245鎖存器74LS273,74LS373,74LS374,74LS573可編程芯片8255,8155單片機(jī)三總線的形成

ALE作為P0口發(fā)出的低8位地址的鎖存允許信號(hào)，下降沿有效。

/RD和/WR作為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)選通信號(hào)，上升沿有效。

/PSEN作為片外程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。6.1外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展技術(shù)6.1.1外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展技術(shù)（1）外部程序存儲(chǔ)器時(shí)序分析

51單片機(jī)在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，所需的16條地址線分別由P2口和P0口提供，8條數(shù)據(jù)信號(hào)線由P0口提供。P0口是地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，分時(shí)傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，由地址鎖存允許信號(hào)ALE控制地址傳送，外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN控制它的數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的時(shí)序如下圖所示。單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的時(shí)序地址鎖存信號(hào)ROM芯片輸出允許信號(hào)送出程序存儲(chǔ)器的地址信號(hào)讀取程序存儲(chǔ)器的指令（2）外部程序存儲(chǔ)器的連接方法外部程序存儲(chǔ)器芯片的低8位地址線A0～A7與P0口經(jīng)鎖存后的輸出相連；高8位地址線A8～A15與P2口相連。外部程序存儲(chǔ)器芯片的8位數(shù)據(jù)線D0～D7與P0相連。外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN和存儲(chǔ)器芯片的輸出允許信號(hào)OE相連；地址鎖存允許信號(hào)ALE與外部地址鎖存器的鎖存信號(hào)G相連；根據(jù)單片機(jī)是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，確定單片機(jī)EA信號(hào)的連接；外部程序存儲(chǔ)器芯片片選信號(hào)CE可視具體情況而定，其連接與地址信號(hào)線相關(guān)。6.1.2外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展技術(shù)

51系列單片機(jī)擴(kuò)展的片外I/O口和外部數(shù)據(jù)存貯器統(tǒng)一編址，所以，對(duì)于需要在片外擴(kuò)展I/O口的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，允許直接擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存貯器容量不足64KB。

靜態(tài)RAM芯片如6116(2Kx8),6264(8Kx8),62256(32Kx8)等。

擴(kuò)展片外RAM時(shí)，用/RD,/WR作為片外RAM芯片的選通信號(hào)/OE；而擴(kuò)展ROM時(shí)，采用/PSEN作為片外ROM芯片的選通信號(hào)/OE。（1）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)序分析

外部數(shù)據(jù)存貯器讀時(shí)序如下圖所示。（如指令MOVXA,@DPTR）ALE下降沿送出ROM中指令碼的地址讀取ROM中指令碼ALE下降沿輸出RAM中操作數(shù)的地址讀取RAM中操作數(shù)（2）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方法

MCS-51單片機(jī)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方法與外部程序存儲(chǔ)器的連接方法基本相同，不同之處僅在于選通信號(hào)的連接。MCS-51單片機(jī)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方法如下圖所示。6.2并行接口的擴(kuò)展技術(shù)6.2.1簡(jiǎn)單輸入輸出口的擴(kuò)展（1）74LS244的擴(kuò)展

74LS244是一種雙4位三態(tài)門電路，內(nèi)部有兩個(gè)4位的三態(tài)緩沖器。擴(kuò)展電路圖參見(jiàn)教材第179頁(yè)。（2）74LS273的擴(kuò)展

74LS273是一種能實(shí)現(xiàn)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)鎖存的8D鎖存器，選通脈沖輸入端CLK用于將輸入端D0～D7上數(shù)據(jù)選通送入鎖存器，CLK引腳的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。具體擴(kuò)展電路圖參見(jiàn)教材第179頁(yè)。

從功能分，單片機(jī)擴(kuò)展的I/O接口可分為兩種基本類型：簡(jiǎn)單I/O口和可編程I/O口。6.2.2可編程并行輸入輸出口8255A的擴(kuò)展（1）8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

8255A內(nèi)含A、B、C三個(gè)8位的輸入輸出數(shù)據(jù)端口，A、B兩組控制電路，讀/寫(xiě)控制邏輯電路以及數(shù)據(jù)總線緩沖器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。（2）8255A的工作方式

8255A有以下三種基本工作方式：方式0（基本輸入/輸出方式）、方式1（選通輸入/輸出方式）和方式2（選通式雙向數(shù)據(jù)傳送方式）。

方式0適用于以無(wú)條件傳送方式完成CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送。A口、B口和C口均工作于該方式，各端口是輸入還是輸出由方式選擇字來(lái)設(shè)置。

方式1常用于查詢傳送和中斷傳送。只有A口和B口可工作于該方式，C口的部分引腳作為固定的專用選通信號(hào)，且A口和B口無(wú)論輸入或輸出都有數(shù)據(jù)鎖存功能。

方式2的數(shù)據(jù)傳送可用查詢或中斷實(shí)現(xiàn)，只有A口可工作于該方式，為雙向輸入/輸出口，C口的PC3～PC7作為專用選通信號(hào)線，輸入和輸出的數(shù)據(jù)都被8255A鎖存。（3）8255A的編程

8255A的控制命令字有兩個(gè)：方式選擇控制字和端口C按位置位/復(fù)位控制字，這兩個(gè)控制字都是向控制端口寫(xiě)入。

方式選擇控制字的格式如下圖所示。

端口C按位置位/復(fù)位控制字的格式如下圖所示。3）編程舉例若規(guī)定圖6.21中的8255A的A口作輸入、B口、C口作輸出，且均工作在方式0下，相應(yīng)程序段有：

MOVA，＃90HMOVDPTR，#0003HMOVX＠DPTR，AMOVDPTR，＃0000HMOVXA，＠DPTR……MOVDPTR，#0001HMOVA，＃DATA1MOVX＠DPTR，A6.2.3可編程并行輸入輸出口8155的擴(kuò)展（1）8155的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

Intel8155是一種多功能的可編程常用外圍接口芯片，其在片資源包括：256×8位靜態(tài)RAM，兩個(gè)8位、1個(gè)6位的并行I/O口以及一個(gè)14位的可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。（2）8155片內(nèi)各功能模塊簡(jiǎn)介①片內(nèi)靜態(tài)RAM

該靜態(tài)RAM為256×8位，最大存取時(shí)間為400ns。②I/OI/O部分由端口A、B、C以及命令/狀態(tài)寄存器（C/S）組成。端口A、B可設(shè)定為基本輸入/輸出方式和選通輸入/輸出方式，端口C要視端口A、B的情況而定。③8155的控制字、狀態(tài)字

8155的控制邏輯部件中設(shè)置了一個(gè)控制命令寄存器和一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志寄存器。8155的工作方式由控制命令寄存器編程確定，控制命令寄存器的格式如下，TM2TM1IEBIEAPC2PC1PBPA各位的含義如下：

PA位定義A口的數(shù)據(jù)傳送方向，0為輸入方式，1為輸出方式。

PB位定義B口的數(shù)據(jù)傳送方向，0為輸入方式，1為輸出方式。

PC2、PC1：定義C口的工作方式。

IEA為A口的中斷允許/禁止。當(dāng)A口工作在選通的輸入、輸出方式時(shí)，該位=1，允許端口A中斷。而該位=0時(shí)，則禁止A口中斷。

IEB為B口的中斷允許/禁止。當(dāng)B口工作在選通的輸入/輸出方式時(shí)，該位=1，允許端口B中斷。而該位=0時(shí)，則禁止B口中斷。

TM2、TM1：用于定時(shí)／計(jì)數(shù)器部分。8155內(nèi)部的狀態(tài)標(biāo)志寄存器，主要用于反映端口的工作狀態(tài)。它是一個(gè)7位的只讀寄存器，格式如下，×TIMERINTEBBFBINTRBINTEABFAINTRAINTE為端口中斷允許與禁止?fàn)顟B(tài)標(biāo)志，INTE=1允許中斷，INTE=0禁止中斷。

BF為端口緩沖器滿/空狀態(tài)標(biāo)志，BF=1緩沖器滿，BF=0緩沖器空。

INTR為端口中斷請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志，INTR=1有中斷請(qǐng)求，INTR=0無(wú)中斷請(qǐng)求。

TIMER為定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷請(qǐng)求標(biāo)志，TIMER=1有定時(shí)器溢出中斷，TIMER=0表示讀狀態(tài)字后或復(fù)位后。④定時(shí)/計(jì)數(shù)器

8155片內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器由一個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位方式、長(zhǎng)度寄存器構(gòu)成。

14位的減法計(jì)數(shù)器對(duì)輸入引腳TIMERIN上的輸入脈沖進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，減1回零時(shí)在TIMEROUT引腳上輸出一個(gè)矩形波或脈仲信號(hào)，完成定時(shí)/計(jì)數(shù)任務(wù)。

16位的方式、長(zhǎng)度寄存器專門用于存放定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸出方式及計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，其格式如下，M2M1T13T12T11T10T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0

其中0～13位為計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，14、15位為方式選擇位，用來(lái)定義定時(shí)／計(jì)數(shù)器的4種輸出方式。（3）8155的擴(kuò)展

8155擴(kuò)展電路如下圖所示。（4）8155的初始化編程設(shè)A口為基本輸入／輸出方式，B口、C口為基本輸入方式，將定時(shí)器作為方波發(fā)生器，對(duì)輸入脈沖20分頻，則初始化程序如下：START：MOVDPTR，＃0BF04HMOVA，＃14HMOVX＠DPTR，AINCDPTRMOVA，＃40H

MOVX＠DPTR，AMOVDPTR，＃0BF00HMOVA，#0C1HMOVX＠DPTR，ARET6.3串行接口的擴(kuò)展技術(shù)6.3.1I2C串行總線

I2C總線是Philips公司推出的一種串行總線，主要用于IC器件之間的二線制同步通信，它通過(guò)串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA實(shí)現(xiàn)總線上各器件的同步數(shù)據(jù)傳送，其總線的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。6.3.251單片機(jī)與I2C總線器件的接口帶I2C總線接口的E2PROM是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一類存儲(chǔ)器器件。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、占用I/O口線少，性能價(jià)格比高。本節(jié)主要介紹MCS-51與帶I2C總線接口的E2PROM的接口方法。現(xiàn)以AT24C系列為例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。（1）AT24C系列E2PROM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如下圖所示。

引腳功能介紹如下，

SCL為串行時(shí)鐘端；

SDA為串行數(shù)據(jù)／地址端；由于SDA為漏極開(kāi)路端，故需接上拉電阻到VCC；

WP為寫(xiě)保護(hù)，當(dāng)WP為高電平時(shí)，存儲(chǔ)器只讀；當(dāng)WP為低電平時(shí)，存儲(chǔ)器可讀可寫(xiě)；

A0、A1、A2是片選或塊選信號(hào)；

VCC和VSS分別是電源和地。（2）接口技術(shù)

MCS-51單片機(jī)與AT24C串行E2PROM的接口電路連接示意圖如下。（3）讀寫(xiě)操作原理器件地址的固定部分為1010，A2、A1、A0三個(gè)引腳的不同狀態(tài)可確定3位編碼，由