單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)張毅剛等編著電子教案講義課件省公開課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[張毅剛等編著][電子教案]1/60第8章89C51單片機(jī)擴(kuò)展存放器設(shè)計(jì)8.1系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

89C51系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)如圖8-1所表示。

圖8-12/60由圖8-1能夠看出，系統(tǒng)擴(kuò)展主要包含存放器擴(kuò)展和I/O接口部件擴(kuò)展。外部存放器擴(kuò)展又包含程序存放器擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存放器擴(kuò)展。89C51采取是哈佛結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展后，系統(tǒng)形成了兩個(gè)并行外部存放器空間。89C51單片機(jī)采取并行總線結(jié)構(gòu)，大大增加了系統(tǒng)靈活性，使擴(kuò)展易于實(shí)現(xiàn)，各擴(kuò)展部件只要符合總線規(guī)范，就能很方便地接入系統(tǒng)。因?yàn)橄到y(tǒng)擴(kuò)展是以89C51單片機(jī)為關(guān)鍵，經(jīng)過總線把89C51與各擴(kuò)展部件連接起來。所以，要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展首先要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線。3/608.2系統(tǒng)總線及總線結(jié)構(gòu)按功效通常把系統(tǒng)總線分為三組，如圖8-1所表示。1．地址總線（AdressBus，AB）地址總線用于傳送單片機(jī)發(fā)出地址信號(hào)，方便進(jìn)行存放單元和I/O接口芯片中存放器選擇。地址總線是單向傳輸。2．?dāng)?shù)據(jù)總線(DataBus，DB)數(shù)據(jù)總線用于在單片機(jī)與存放器之間或與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線是雙向，能夠進(jìn)行兩個(gè)方向傳送。3．控制總線（ControlBus，CB）控制總線實(shí)際上就是單片機(jī)發(fā)出各種控制信號(hào)線。8.2.1結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線

4/60系統(tǒng)擴(kuò)展首要問題:結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線上“掛”存放器芯片或I/O接口芯片，“掛”存放器芯片就是存放器擴(kuò)展，“掛”I/O接口芯片就是I/O擴(kuò)展。1．以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線89C51因?yàn)槭芤_數(shù)目標(biāo)限制，數(shù)據(jù)線和低8位地址線復(fù)用。為了將它們分離出來，需要外加地址鎖存器，從而組成與普通CPU相類似片外三總線，見圖8-2。

5/60圖8-26/602.以P2口口線作為高位地址線P2口全部8位口線用作高位地址線，再加上P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址，便形成了完整16位地址總線（見圖8-2），使尋址范圍到達(dá)64KB。3．控制信號(hào)線除了地址線和數(shù)據(jù)線之外，還要有系統(tǒng)控制總線。這些信號(hào)有就是單片機(jī)引腳第一功效信號(hào)，有則是P3口第二功效信號(hào)。其中包含：（1）PSEN*信號(hào)作為外擴(kuò)程序存放器讀選通控制信號(hào)。7/60（2）RD*和WR*信號(hào)作為外擴(kuò)數(shù)據(jù)存放器和I/O接口讀、寫選通控制信號(hào)。（3）ALE信號(hào)作為低8位地址鎖存控制信號(hào)。（4）EA*信號(hào)作為內(nèi)、外程序存放器選擇控制信號(hào)?？煽闯觯M管89C51單片機(jī)有4個(gè)并行I/O口，共32條口線，但因?yàn)橄到y(tǒng)擴(kuò)展需要，真正作為數(shù)字I/O使用，就剩下P1口和P3口部分口線了。8.2地址空間分配和外部地址鎖存器8.2.1存放器地址空間分配

8/60怎樣把外部各自64KB空間分配給各個(gè)程序存放器、數(shù)據(jù)存放器芯片，而且使程序存放器各個(gè)芯片之間，數(shù)據(jù)存放器各芯片之間，為防止發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，一個(gè)存放器單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，這就是存放器地址空間分配問題。在外擴(kuò)多片存放器芯片中，89C51要完成這種功效，必須進(jìn)行兩種選擇：一是必須選中該存放器芯片（或I/O接口芯片），這稱為“片選”，只有被“選中”存放器芯片才能被89C51讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。為了片選需要，每個(gè)存放器芯片都有片選信號(hào)引腳，二是在“片選”基礎(chǔ)上再選擇該芯片某一單元，稱為“單元選擇”。9/60慣用存放器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡(jiǎn)稱線選法）和地址譯碼法（簡(jiǎn)稱譯碼法），下面分別介紹。1．線選法直接利用系統(tǒng)高位地址線作為存放器芯片（或I/O接口芯片）“片選”控制信號(hào)。為此，只需要把用到高位地址線與存放器芯片“片選”端直接連接即可。線選法優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，不需要另外增加地址譯碼器硬件電路，體積小，成本低。缺點(diǎn)是可尋址芯片數(shù)目受到限制。另外，地址空間不連續(xù)，每個(gè)存放單元地址不唯一，不10/60能充分有效地利用存放空間，這會(huì)給程序設(shè)計(jì)帶來一些不便，只適合用于外擴(kuò)芯片數(shù)目不多單片機(jī)系統(tǒng)存放器擴(kuò)展。2．譯碼法使用譯碼器對(duì)89C51高位地址進(jìn)行譯碼，將譯碼器譯碼輸出作為存放器芯片片選信號(hào)。是最慣用地址空間分配方法，它能有效地利用存放器空間，適合用于多芯片存放器擴(kuò)展。慣用譯碼器芯片有74LS138（3-8譯碼器）74LS139（雙2-4譯碼器）74LS154（4-16譯碼器）。若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼；若僅部分高位地址線參加譯碼，稱11/60為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存放器地址空間相重合情況。兩種慣用譯碼器芯片。（1）74LS13874LS138是3-8譯碼器，有3個(gè)數(shù)據(jù)輸入端,經(jīng)譯碼產(chǎn)生8種狀態(tài)。其引腳如圖8-3所表示，真值表如表8-1所表示。由表8-1可見，當(dāng)譯碼器輸入為某一固定編碼時(shí)，其輸出僅有一個(gè)固定引腳輸出為低電平，其余為高電平。而輸出為低電平引腳就作為某一存放器芯片片選端控制信號(hào)。12/60圖8-313/60

表8-174LS138譯碼器真值表

輸入輸出

G1G2A*G2B*CBAY7*Y6*Y5*Y4*Y3*Y2*Y1*Y0*14/60

（2）74LS13974LS139是雙2-4譯碼器。兩個(gè)譯碼器完全獨(dú)立，分別有各自數(shù)據(jù)輸入端、譯碼狀態(tài)輸出端以及數(shù)據(jù)輸入允許端。其引腳如圖8-4所表示，真值表如表8-2所表示（見P138）。圖8-415/60下面以74LS138為例，介紹怎樣進(jìn)行地址分配。例要擴(kuò)8片8KBRAM6264，怎樣經(jīng)過74LS138把64KB空間分配給各個(gè)芯片？64KB地址空間分配如圖8-5所表示。圖8-516/60采取全地址譯碼方式，單片機(jī)發(fā)地址碼時(shí)，每次只能選中一個(gè)存放單元。同類存放器間不會(huì)產(chǎn)生地址重合問題。假如用74LS138把64K空間全部劃分為每塊4KB，怎樣劃分呢？因?yàn)?KB空間需要12條地址線進(jìn)行“單元選擇”，而譯碼器輸入有3條地址線（P2.6～P2.4），P2.7沒有參加譯碼，P2.7發(fā)出0或1決定了選擇64KB存放器空間前32KB還是后32KB，因?yàn)镻2.7沒有參加譯碼，就不是全譯碼方式，這么前后兩個(gè)32KB空間就重合了。那么，這32KB空間利用74LS138譯碼器可劃分為8個(gè)4KB空間。假如把P2.7經(jīng)過一個(gè)非門與74LS138譯碼器G1端連接起來，如圖8-6所表示，就不會(huì)發(fā)生兩個(gè)32KB空間重合問題了。17/608.2.2外部地址鎖存器地址鎖存器芯片:74LS373、8282、74LS573等。1.鎖存器74LS373帶有三態(tài)門8D鎖存器,其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-7和圖8-8。89C51與74LS373連接如圖8-9所表示。圖8-618/60引腳說明以下:D7～D0:8位數(shù)據(jù)輸入線。Q7～Q0:8位數(shù)據(jù)輸出線。G: 數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號(hào),

圖8-7圖8-819/60OE*:數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)圖8-920/6074LS373功效如表8-3所表示。表8-374LS373功效表OE*

G D Q

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 × 不變 1 × × 高阻態(tài) 21/602．鎖存器74LS573

輸入D端和輸出Q端依次排在芯片兩側(cè)，為繪制印刷電路板時(shí)布線提供了方便。圖8-1022/6074LS573各引腳說明以下:D7～D0：8位數(shù)據(jù)輸入線。Q7～Q0：8位數(shù)據(jù)輸出線。G

：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號(hào)，該引腳與74LS373G端功效相同。OE*：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，輸出線為高阻態(tài)。23/608.3程序存放器EPROM擴(kuò)展

采取只讀存放器，非易失性。（1）掩膜ROM在制造過程中編程。成本較高，所以只適合于大批量生產(chǎn)。（2）可編程ROM（PROM）用獨(dú)立編程器寫入。但PROM只能寫入一次，且不能再修改。（3）EPROM電信號(hào)編程，紫外線擦除只讀存放器芯片。（4）E2PROM（EEPROM）電信號(hào)編程，電信號(hào)擦除ROM芯片。讀寫操作與RAM幾乎沒有什么差異，只是寫入速度慢一些。但斷電后能夠保留信息。（5）FlashROM又稱閃爍存放器，簡(jiǎn)稱閃存。大有取代E2PROM趨勢(shì)。24/60當(dāng)前許多企業(yè)生產(chǎn)以8051為內(nèi)核單片機(jī)，在芯片內(nèi)部大多集成了數(shù)量不等FlashROM。比如，美國(guó)ATMEL企業(yè)生產(chǎn)與51系列單片機(jī)兼容產(chǎn)品89C2051/89C51/89C52/89C55，片內(nèi)分別有2KB/4KB/8KB/20KBFlashROM，來作為EPROM使用。對(duì)于這類單片機(jī)，在片內(nèi)FlashROM滿足要求情況下，擴(kuò)展外部程序存放器工作就可省去。25/608.3.1慣用EPROM芯片介紹經(jīng)典芯片是27系列產(chǎn)品，比如，2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）?！?7”后面數(shù)字表示其位存放容量。伴隨大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展，大容量存放器芯片產(chǎn)量劇增，售價(jià)不停下降，其性價(jià)比顯著增高，而且因?yàn)橛行S家已停頓生產(chǎn)小容量芯片，使市場(chǎng)上一些小容量芯片價(jià)格反而比大容量芯片還貴。所以，在擴(kuò)展程序存放器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能采取大容量芯片。26/601.慣用EPROM芯片27系列EPROM芯片引腳如圖8-11所表示，參數(shù)見表8-4（P143，略）。圖8-11中引腳功效以下：A0～A15：地址線引腳。數(shù)目決定存放容量來定，用來進(jìn)行單元選擇。D7～D0：數(shù)據(jù)線引腳CE*：片選輸入端OE*：輸出允許控制端PGM*：編程時(shí)，加編程脈沖輸入端27/60Vpp：編程時(shí)，編程電壓（+12V或+25V）輸入端Vcc：+5V，芯片工作電壓。GND：數(shù)字地。NC：無用端

28/60圖8-1129/602.EPROM芯片工作方式5種工作方式如表8-5所表示。（1）讀出方式片選控制線為低,同時(shí)輸出允許控制線為低，Vpp為+5V，指定地址單元內(nèi)容從D7～D0上讀出。（2）未選中方式片選控制線為高電平。（3）編程方式Vpp端加上要求高壓,CE*和OE*端加適當(dāng)電平(不一樣芯片要求不一樣)，就能將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)寫入到指定地址單元。（4）編程校驗(yàn)方式

30/60（5）編程禁止方式輸出呈高阻狀態(tài)，不寫入程序。8.3.2程序存放器操作時(shí)序1.訪問程序存放器控制信號(hào)（1）ALE（2）PSEN*（3）EA*假如指令是從片外EPROM中讀取，ALE用于低8位地址鎖存，PSEN*接外擴(kuò)EPROMOE*腳。P0口:分時(shí)低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線，P2口:高8位地址線。2.操作時(shí)序

31/60(1)應(yīng)用系統(tǒng)中無片外RAM圖8-12(a)32/60(2)應(yīng)用系統(tǒng)中接有片外RAM圖8-12(b)33/60由圖8-12(b)可看出：（1）將ALE用作定時(shí)脈沖輸出時(shí)，執(zhí)行一次MOVX指令就會(huì)丟失一個(gè)脈沖。（2）只有在執(zhí)行MOVX指令時(shí)第二個(gè)機(jī)器周期期間，地址總線才由數(shù)據(jù)存放器使用。8.3.389C51與EPROM接口電路設(shè)計(jì)

1.硬件接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)镋PROM在正常使用中只能讀出，不能寫入，故EPROM芯片沒有寫入控制腳，只有讀出控制腳，記為OE*，它與89C51單片機(jī)PSEN*相連，地址線、數(shù)據(jù)線分別與89C51地址線、數(shù)據(jù)線相連，片選端控制可采取線選法或譯碼法。圖8-13為外擴(kuò)一片27128接口電路圖。34/60圖8-1335/603.使用多片EPROM擴(kuò)展電路89C51擴(kuò)展4片27128。圖8-1436/60圖8-14中片選控制信號(hào)由譯碼器產(chǎn)生。4片27128各自所占地址空間，請(qǐng)讀者自己分析。

8.4靜態(tài)數(shù)據(jù)存放器擴(kuò)展在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，外擴(kuò)數(shù)據(jù)存放器都采取靜態(tài)數(shù)據(jù)存放器（SRAM），所以只討論SRAM與89C51接口。所擴(kuò)展數(shù)據(jù)存放器空間地址由P2口提供高8位地址，P0口分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存放器RAM讀和寫由89C51RD*（P3.7）和WR*（P3.6）信號(hào)控制，而片外程序存放器EPROM輸出允許端（OE*）由89C51程序存放器讀選通信號(hào)PSEN*控制。盡管與EPROM地址空間范圍都是相同，但因?yàn)榭刂菩盘?hào)不一樣，故不會(huì)發(fā)生總線沖突。37/608.4.1慣用靜態(tài)RAM（SRAM）芯片經(jīng)典型號(hào)有:6116、6264、62128、62256。+5V電源供電，雙列直插封裝，6116為24引腳封裝，6264、62128、62256為28引腳封裝，引腳如圖8-15。各引腳功效:A0～A14：地址輸入線。D0～D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。CE*：片選信號(hào)輸入。對(duì)于6264芯片，當(dāng)26腳(CS)為高電平時(shí),且CE*為低電平時(shí)才選中該片。OE*：讀選通信號(hào)輸入線。WE*：寫允許信號(hào)輸入線，低電平有效。38/60圖8-1539/60Vcc：工作電源+5VGND：地工作方式有讀出、寫入、維持三種，這些工作方式操作控制如表8-6(P148)。8.4.2外擴(kuò)數(shù)據(jù)存放器讀寫操作時(shí)序1.讀片外RAM操作時(shí)序

圖8-1640/602.寫片外RAM操作時(shí)序

寫是CPU主動(dòng)把數(shù)據(jù)送上P0口總線。故在時(shí)序上，CPU先向P0口總線上送完8位地址后，在S3狀態(tài)就將數(shù)據(jù)送到P0口總線。

圖8-1741/608.4.389C51與RAM接口電路設(shè)計(jì)

圖8-18為線選法擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存放器電路。

圖8-1842/60地址線為A0～A12，故8031剩下地址線為三根。用線選法可擴(kuò)展3片6264。3片6264對(duì)應(yīng)存放器空間如表8-7。表8-743/60譯碼選通法擴(kuò)展,如圖8-19所表示。圖8-1944/60各62128芯片地址分配見表8-9。

表8-9各片62128地址分配

P2.6P2.7譯碼輸出選中芯片地址范圍存放容量

00YO*IC10000H-3FFFH16K01Y1*IC24000H-7FFFH16K10Y2*IC38000H-BFFFH16K11Y3*IC4C000H-FFFFH16K

例8-1編寫程序?qū)⑵鈹?shù)據(jù)存放器中5000H～50FFH單元全部清零45/60方法1：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，同時(shí)使用字節(jié)計(jì)數(shù)器。

MOVDPTR，#5000H ；設(shè)置數(shù)據(jù)塊指針初值 MOVR7，#00H ；設(shè)置塊長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器初值 CLRALOOP：MOVX@DPTR，A ；把某一單元清零 INCDPTR ；地址指針加1 DJNZR7，LOOP ；數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度減1，若不為 ；0則繼續(xù)清零HERE：SJMPHERE ；執(zhí)行完成，原地踏步46/60方法2：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，但不使用字節(jié)計(jì)數(shù)器，而是比較特征地址。 MOVDPTR，#5000H CLRALOOP： MOVX@DPTR，A INCDPTR MOVR7，DPL

CJNER7，#0，LOOP；與末地址+1比較HERE： SJMPHERE47/608.6EPROM和RAM綜合擴(kuò)展8.6.1綜合擴(kuò)展硬件接口電路例8-2采取線選法擴(kuò)展2片8KBRAM和2片8KBEPROM。RAM選6264，EPROM選2764。擴(kuò)展接口電路見圖8-20。圖8-2048/60（1）控制信號(hào)及片選信號(hào)IC2和IC4占用地址空間為H～3FFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范圍4000H～5FFFH（P2.6=1、P2.5=0、P2.7=0）。線選法地址不連續(xù)，地址空間利用不充分。（2）各芯片地址空間分配IC2和IC4占用地址空間為A000H～BFFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范圍為C000H～DFFFH。4片存放器各自所占地址空間如表8-9所表示。49/60例8-3采取譯碼器法擴(kuò)展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM選取2764，RAM選取6264。共擴(kuò)展4片芯片。擴(kuò)展接口電路見圖8-21。

圖8-2150/60各存放器地址范圍以下：表8-9可見譯碼法進(jìn)行地址分配，各芯片地址空間是連續(xù)。51/608.5.2外擴(kuò)存放器電路工作原理及軟件設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)片外程序區(qū)讀指令過程

2.單片機(jī)片外數(shù)據(jù)區(qū)讀/寫數(shù)據(jù)過程

比如，把片外6000H單元數(shù)送到片內(nèi)RAM50H單元，程序以下：

MOVDPTR，#6000H

MOVXA，@DPTR MOV50H，A

比如，把片內(nèi)50H單元數(shù)據(jù)送到片外4000H單元中，程序以下：

MOVA,50H

52/60 MOVDPTR,#4000H

MOVX

@DPTR,A89C51單片機(jī)讀寫片外數(shù)據(jù)存放器中內(nèi)容，除用MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A外，還可使用MOVXA,@Ri和MOVX@Ri,A。這時(shí)經(jīng)過P0口輸出Ri中內(nèi)容（低8位地址），而把P2口原有內(nèi)容作為高8位地址輸出。例8-4

將程序存放器中以TAB為首址32個(gè)單元內(nèi)容依次傳送到外部RAM以7000H為首地址區(qū)域去。

53/60DPTR指向標(biāo)號(hào)TAB首地址。R0既指示外部RAM地址，又表示數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)TAB位移量。本程序循環(huán)次數(shù)為32，R0值：0～31，R0值到達(dá)32就結(jié)束循環(huán)。程序以下：

MOV P2,#70H MOV DPTR,#TAB MOV R0,#0 AGIN: MOV A,R0 MOVC A,@A+DPTR MOVX @R0,A INC R0

CJNE R0,#32,AGIN HERE: SJMP HERE TAB: DB……54/608.6ATMEL89C51/89C55單片機(jī)片內(nèi)閃爍存放器

AT89C51/89C52/89C55是低功耗、高性能片內(nèi)含有4KB/8KB/20KB閃爍可編程/擦除只讀存放器，芯片內(nèi)閃存允許在線編程或采取通用編程器對(duì)其重復(fù)編程。8.6.189C51性能及片內(nèi)閃爍存放器89C51主要性能（1）與MCS-51微控制器系列產(chǎn)