單片機(jī)總線與擴(kuò)展.ppt

1、本章介紹的主要內(nèi)容,單片機(jī)的總線信號(hào) 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 *I/O接口的擴(kuò)展,MCS51系列單片機(jī)的特點(diǎn)就是體積小，功能全，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件設(shè)計(jì)靈活。對(duì)于簡(jiǎn)單 的應(yīng)用，最小系統(tǒng)即能滿足要求。 所謂最小系統(tǒng)是指在最少的外部電路條件下，形成一個(gè)可獨(dú)立工作的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。一片89C51，或者一片8031外接一片 EPROM就構(gòu)成了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。 在很多復(fù)雜的應(yīng)用情況下，單片機(jī)內(nèi)的RAM ，ROM 和 I/O接口數(shù)量有限，不夠使用，這種情況下就需要進(jìn)行擴(kuò)展。因此單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò) 展主要是指外接數(shù)據(jù)存貯器、程序存貯器或I/O接口等，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的需要。,為什么需要擴(kuò)展,9.1.

2、1 單片機(jī)總線信號(hào)的定義,單片機(jī)是通過(guò)地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線與外部交換信息的。MCS-51單片機(jī)的總線接口信號(hào)見(jiàn)圖,由圖可見(jiàn)： 1）由于Po分時(shí)傳送地址/數(shù)據(jù)信息，在接口電路中，通常配置地址鎖存器，有ALE信號(hào)鎖存低8位地址AoA7，以分離地址和數(shù)據(jù)信息。 2）P2口傳送高8位地址A8A15。 3 ) PSEN為程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)，是在取指令 碼時(shí)或執(zhí)行MOVC指令時(shí)變?yōu)橛行А?RD、WR為 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口的讀、寫(xiě)控制 信號(hào)。是執(zhí)行MOVX指令時(shí)變?yōu)橛行А?9.1.2 外圍芯片的引腳規(guī)律 外圍芯片種類成千上萬(wàn)，功能各不相同，但能和計(jì)算機(jī)接口的專用芯片通常具備三總線引腳，即數(shù)據(jù)線引

3、腳、地址線引腳和讀、寫(xiě)控制線引腳，此外還有片選線引腳。 并行傳送芯片的數(shù)據(jù)線引腳通常為8根，地址線引腳的根數(shù)因芯片不同而不同，取決于片內(nèi)存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)或I/O接口內(nèi)寄存器（又稱為端口）的個(gè)數(shù)，N根地址線和單元的個(gè)數(shù)的關(guān)系是：?jiǎn)卧膫€(gè)數(shù) 。例如存儲(chǔ)器地址線和單元的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表,32行32列組成的矩陣和外部的連接 :,存儲(chǔ)器的一般表達(dá)方式：2Nm,外圍芯片的片選引腳CS(或CE) 一般是低電平有效，僅當(dāng)片選引腳為有效電平時(shí)， 該芯片才會(huì)被選中使用總線。,專用芯片的讀控制信號(hào)通常用符號(hào) OE（輸出允許）或 RD（讀允許）表示，寫(xiě)控制信號(hào)通常用符號(hào)WE（寫(xiě)允許）或WR（寫(xiě)）表示，通常是低電平控制

4、讀和寫(xiě)。 下面的某存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖能說(shuō)明地址信號(hào)和控制信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)流動(dòng)的控制。,可以這樣理解：芯片的片選、地址線引腳相當(dāng)于門牌號(hào)碼、 是出口門鎖、 是進(jìn)口門鎖，CPU執(zhí)行指令時(shí)，地址線送出地址信息（找到門牌號(hào)碼）,讀 或?qū)?信號(hào)變?yōu)橛行Вㄊ褂孟鄳?yīng)的鑰匙)，打開(kāi)出口門鎖或進(jìn)口門鎖，該單元和數(shù)據(jù)線相通。單元的數(shù)據(jù)就可以流出或流進(jìn)該單元。這里正體現(xiàn)一把鑰匙開(kāi)一把鎖，開(kāi)鎖過(guò)程是指令實(shí)現(xiàn)時(shí)序的相互配合，也是軟件對(duì)硬件的控制。,1,2,典型的EPROM芯片 2732,從圖中可知，2732為4KB容量，地址線12條A0A11，數(shù)據(jù)線8條D0D7，CE為片選端，低電平有效，OEVPP是輸出允許信號(hào)，低電平

5、有效，該引腳在編程時(shí)也作為編程電壓VPP的輸入端。VCC為十5V電源，GND為地。,系統(tǒng)擴(kuò)展的連線原則 系統(tǒng)的擴(kuò)展歸結(jié)為三總線的連接，連接的方法很簡(jiǎn)單，連線時(shí)應(yīng)遵守下列原則： 1。連接的雙方 數(shù)據(jù)線連數(shù)據(jù)線，地址線連地址線， 控制線連控制線。要特別注意的是： 程序存儲(chǔ)器接PSEN; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接RD和WR 2。 控制線相同的地址線不能相同， 地址線相同的控制線不能相同。 3。 片選信號(hào)有效的芯片才選中工作。當(dāng)一類芯片僅一片時(shí)片選端可接地，當(dāng)同類芯片多片時(shí)片選端可通過(guò)線譯碼、部分譯碼、全譯碼接地址線（通常是高位地址線）等方法 。,9.1.3 系統(tǒng)擴(kuò)展的方法 CPU、MCU和這些芯片的連接的方法是

6、對(duì)應(yīng)的線相連。 規(guī)律如下： 數(shù)據(jù)線的連接：外接芯片的數(shù)據(jù)線D0-D7接圖 9-1單片機(jī)的數(shù)據(jù)線的D0-D7，對(duì)于并行接口，數(shù)據(jù)線通常為8位。 控制線的連接 外接程序存儲(chǔ)器： 由于程序存儲(chǔ)器只讀，通常使用狀態(tài)是讀操作，因此只需連OE引腳。由于PSEN 為程序存儲(chǔ)器的選通控制信號(hào)，因此單片機(jī)的PSEN 連接ROM的輸出允許端OE； 外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口： 由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可讀可寫(xiě)，而RD（P3.7）和WR(P3.6)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和I/O口的讀寫(xiě)控制信號(hào)，因此單片機(jī)的RD應(yīng)連接擴(kuò)展芯片的OE (輸出允許)或RD端，單片機(jī)的WR應(yīng)連接擴(kuò)展芯片的WR或WE端。,地址線的連接 如前面所述，和計(jì)

7、算機(jī)接口的專用芯片會(huì)有N根地址線引腳，用于選擇片內(nèi)的存儲(chǔ)單元或端口，稱為字選或片內(nèi)選擇；為區(qū)別同類型的不同芯片，外圍芯片通常都有一個(gè)片選引腳，僅當(dāng)該引腳為有效電平（通常為低電平）該片才被選中。 一個(gè)芯片的某個(gè)單元或某個(gè)端口的地址由片選的地址和片內(nèi)字選擇地址共同組成，因此字選和片選引腳均應(yīng)接到單片機(jī)的地址線上。連線的方法是： 字選線：外圍芯片的字選（片內(nèi)選擇）地址線引腳直接接單片機(jī)的從A0開(kāi)始的低位地址線,片選線：片選引腳的連接方法三種： 1）片選引腳接單片機(jī)用于片內(nèi)尋址剩下 的高位地址線某根；此法稱為線選法， 或稱線譯碼。用于外圍芯片不多的情況， 是最簡(jiǎn)單，最低廉的方法。見(jiàn)左圖 2）片選引腳接

8、對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼后的輸出。 譯碼可采用部分譯碼或全譯碼法， 所謂部分譯碼就是用片內(nèi)尋址剩下的 高位地址線中的幾根進(jìn)行譯碼， 所謂全譯碼就是用片內(nèi)尋址剩下的所 有的高位地址線進(jìn)行譯碼。 該法的缺點(diǎn)是要增加地址譯碼器。 全譯碼法的優(yōu)點(diǎn)是地址唯一。見(jiàn)左圖,3）片選端可直接接地。 當(dāng)接入單片機(jī)的某類芯片僅一片時(shí)，片選端可直接接地使它始終處于選中狀態(tài)。此法可用于最小系統(tǒng)。見(jiàn)右圖。,線選法分析 線選法用低位地址線對(duì)片內(nèi)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行尋址，所需的地址線由片內(nèi)地址線決定，用余下的高位地址線分別接至芯片的片選端，以區(qū)分各芯片的地址范圍。 用線選法擴(kuò)展存儲(chǔ)器的缺點(diǎn) 各芯片間地址不連續(xù)。而習(xí)慣上使用連續(xù)地址,如

9、24K范圍地址從0000H到5FFFH。 有相當(dāng)數(shù)量的地址不能使用,否則造成片選混亂。,例 擴(kuò)展三片2KB存儲(chǔ)芯片，試用線選法給出接線圖和地址。 分析：顯然要11根片內(nèi)地址線和3根片選線 字選地址線：P0.7P0.0-A7A0，P2.2P2.0-A10A8，合成11根地址線； 片選地址線：P2.5、P2.4、P2.3-A13、A12、A11，作3片的片選； 余下： P2.7、P2.6不用，取00或11 擴(kuò)展接線結(jié)構(gòu)如圖：,P0+P2.0-P2.2,P0,P2.3,P2.4,P2.5,編址 P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0 P0.7P0.0 1號(hào)片

10、00 1 1 0 0 0 0 00H 00 1 1 0 1 1 1 FFH 2號(hào)片 00 1 0 1 0 0 0 00H 00 1 0 1 1 1 1 FFH 3號(hào)片 00 0 1 1 0 0 0 00H 0 0 0 1 1 1 1 1 FFH,P0+P2.0-P2.2,P2.3,P2.4,P2.5,9.1.4 地址譯碼器 1使用邏輯門譯碼 設(shè)某一芯片的字選地址線為A0-A11(4KB容量)，使用邏輯門作地址譯碼,其輸出接芯片片選CE，字選地址線直接接CPU的地址線A0-A11。 下圖 (a)是用混合邏輯表示輸入和輸出的邏輯關(guān)系，小圈表示低電平有效，該邏輯關(guān)系需用兩個(gè)非門和一個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)，如圖

11、 (b)所示，這是用正邏輯表示的電路。計(jì)算機(jī)電路中通常用簡(jiǎn)潔、直觀的混合邏輯表示輸入和輸出的邏輯關(guān)系。,譯碼法（部分、全）,等效,該芯片的地址排列如下： 片 選 字 選 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 地址范圍：6000H-6FFFH,例1 計(jì)算下列全譯碼電路中存儲(chǔ)器的地址范圍：,例2 分析如下譯碼電路的作用，計(jì)算（線譯碼）電路中存儲(chǔ)器的地址范圍： 當(dāng)P2.4=1時(shí)，CE2=0 當(dāng)P2.4=0

12、 時(shí)，CE1=0 字選地址依然為A11A0,地址排列如下：,2利用譯碼器芯片進(jìn)行地址譯碼 常用的譯碼芯片有 74LS139（雙2-4譯碼器）， 74LS138（3-8譯碼器）和 74LS154（4-16譯碼器）等。 下面僅介紹74LS138譯碼器。,74LS138是3-8譯碼器，它有3個(gè)輸入端、3個(gè)控制端及8個(gè)輸出端，引線及功能如圖9-5所示。74LS138譯碼器只有當(dāng)控制端G為100時(shí)，才會(huì)在輸出的某一端(由輸入端C、B、A的狀態(tài)決定)輸出低電平信號(hào)，其余的輸出端仍為高電平。,例3 用8K8的存儲(chǔ)器芯片組成容量為64K8的存儲(chǔ)器試問(wèn)： 共需幾個(gè)芯片？共需多少根地址線尋址？其中幾根作字選線？幾

13、根作片選線？ 若用74LS138作地址譯碼，試畫(huà)出譯碼電路，并標(biāo)出其輸出線的選址范圍。 若改用線選法能夠組成多大容量的存儲(chǔ)器？試寫(xiě)出各線選線的選址范圍。 解 （64K8）（8K8）=8, 即共需要8片8K8的存儲(chǔ)器芯片。 64K=65536= ，所以組成64K的存儲(chǔ)器共需要16根地址線尋址。 8K=8192= 即13根作字選線，選擇存儲(chǔ)器芯片片內(nèi)的單元。 16-13=3 即3根作片選線，選擇8片存儲(chǔ)器芯片。,解 8K8芯片有13根地址線A12A0為字選，余下的高位地址線是A15A13，所以譯碼電路對(duì)A15A13進(jìn)行譯碼，譯碼電路及譯碼輸出線的選址范圍如圖9-6所示.,C B A A15 A14

14、 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000H Y0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1FFFH 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2000H Y1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3FFFH 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 E000H Y7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 FFFFH,解 改用線選法A15A13 3根

15、地址線各選一片8K8的存儲(chǔ)器芯片，只能接3個(gè)芯片，故僅能組成容量為24K8的存儲(chǔ)器， A15 A14 A13所選芯片的地址范圍分別為： A15 6000H7FFFH、 A14 A000HBFFFH和 A13 C000HDFFFH。,9.2 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,9.2.1 EPROM的擴(kuò)展,程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的安排應(yīng)滿足單片機(jī)從外存取指令的時(shí)序要求。我們先從時(shí)序圖中分析ALE、PSEN、P0和P2怎樣配合使程序存儲(chǔ)器完成取指操作，從而得出擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的方法。 單片機(jī)一直處于不斷的取指令碼執(zhí)行取指令碼執(zhí)行的工作過(guò)程中，在取指令碼時(shí)和執(zhí)行MOVC指令時(shí)PSEN會(huì)變?yōu)橛行?，和其它信?hào)配合完成從程序存儲(chǔ)

16、器讀取數(shù)據(jù)。,ROM 程序存儲(chǔ)器,一個(gè)機(jī)器周期,P0,根據(jù)以上取指時(shí)序的要求，8XX51單片機(jī)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器2732的電路圖見(jiàn)圖,圖中，74LS373為8D鎖存器，其主要特點(diǎn)在于：控制端為高電平時(shí)，輸出QoQ7復(fù)現(xiàn)輸入DoD7的狀態(tài)；G為下跳沿時(shí)DoD7的狀態(tài)被鎖存在QoQ7上。當(dāng)把ALE與G相連后，ALE的下跳沿正好把Po端口上此時(shí)出現(xiàn)的PC寄存器指示的低8位指令地址AoA7鎖存在74LS373的QoQ7上，PC的高4位地址A8A11則直接由P2.0P2.3提供。,由于只擴(kuò)展了一片2732EPROM，因此2732的片選端接地。 PSEN與2732的輸出允許型號(hào)OE相連，PSEN 的上升沿使O

17、E有效，打開(kāi)2732中由A0A11指定的地址單元，該單元中的指令碼從2732的O0O7輸出，被正好處于讀入狀態(tài)的Po端口輸入到單片機(jī)內(nèi), 經(jīng)譯碼執(zhí)行。這就是從外存指定地址單元中取出 1 字節(jié)指令并加以執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程。,9.2.2 EEPROM的擴(kuò)展,1. 電可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM的性能 電可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM即可像EPROM那樣長(zhǎng)期非易失地保存信息，又可像RAM那樣隨時(shí)用電改寫(xiě)，近年來(lái)出現(xiàn)了快擦下FLASH EEPROM，它們被廣泛用作單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 目前，常用的EEPROM如表9-1，它們有如下共同特點(diǎn)： *單+5V供電，電可擦除可改寫(xiě)。 *使用次數(shù)為1萬(wàn)次，

18、信息保存時(shí)間為10年。 *讀出時(shí)間為ns級(jí)，寫(xiě)入時(shí)間為ms級(jí)。 *芯片因角信號(hào)與相應(yīng)的RAM和EPROM芯片兼容，見(jiàn)表9-1。,EEPROM的使用非常簡(jiǎn)單方便。不用紫外線擦除，在單一的+5V電壓下寫(xiě)入的新數(shù)據(jù)即覆蓋了舊數(shù)據(jù)。下面以2864為例說(shuō)明EEPROM和單片機(jī)的連接方法。,2864為8KB EEPROM維持電流為60mA，典型讀出時(shí)間為200350ns，字節(jié)編程寫(xiě)入時(shí)間為1020s，芯片內(nèi)有電壓提升電路，編程時(shí)不必增高壓，單一+5V供電。引腳和6264，2764兼容，引腳配置見(jiàn)圖9-4。 8XX51擴(kuò)展2864硬件電路如圖9-5所示。圖中2864即可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有又可作為程序存儲(chǔ)器。

19、由于只擴(kuò)展了一片，片選端接地。,圖 9-4,9.2.3 FLASH 存貯器（閃速存儲(chǔ)器） FLASH存貯器又稱閃速存貯器或PEROM(Programmable Erasable ROM)，它是在EPROM工藝的基礎(chǔ)上增添了芯片整體電擦除和可再編程功能，使其成為性價(jià)比高可靠性高、快擦寫(xiě)、非易失的EEPROM存貯器（后面簡(jiǎn)稱Flash）。很多Flash內(nèi)部集成有DC/DC變換器，使讀、擦除、編程使用單一電壓（根據(jù)不同型號(hào)，有的是單一5V，也有的是單一3V低壓），從而使在系統(tǒng)編程（ISP）成為可能，目前很多單片機(jī)內(nèi)均采用FLASH作為程序存儲(chǔ)器。 FLASH的擴(kuò)展方法和EEPROM一樣，下面 以單片

20、機(jī)8XX51與FLASH AT29C256的連接說(shuō)明。,引腳 功能 A0-A14 地址線 CE 片選 OE 輸出允許 WE 寫(xiě)允許 I/O0-I/O7 數(shù)據(jù)輸入/輸出,AT29C256容量為32K8位，引腳功能如下：,單片機(jī)8XX51與FLASH AT29C256的連接電路,9.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,MCS-51單片機(jī)內(nèi)只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，當(dāng)應(yīng)用中需要更多的RAM時(shí)，只能在片外擴(kuò)展?？蓴U(kuò)展的最大容量為64KB 圖9-6是單片機(jī)對(duì)片外RAM進(jìn)行讀操作的時(shí)序。 當(dāng)執(zhí)行指令 MOVX A，Ri 或 MOVX A，DPTR 時(shí)進(jìn)入外部數(shù)據(jù)RAM是的讀周期。,1. 外部數(shù)據(jù)RAM的讀周期時(shí)序,2. 外部數(shù)據(jù)RAM的寫(xiě)周期 當(dāng)執(zhí)行MOVX Ri，A 或