单片机系统扩展总线.docx

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单片机系统扩展总线

6.4单片机系统扩展总线

1.MCS-51单片机扩展结构特点

扩展都是通过接口来扩展，需要注意I/O口的结构特点。

⑴I/O口的复用和多用

①I/O口的复用：

由于受到引脚数限制，P0口复用，既作低8位地址线，又作数据线，但分时使用，用ALE信号锁存切换。

②I/O口的多用：

P3口可作通用I/O口，在扩展时，具有“第二功能”。

P3.0RXDP3.2INT0P3.4T0P3.6WR

P3.1TXDP3.3INT1P3.5T1P3.7RD

⑵产生接口控制信号的指令

MCS-51无I/O专用指令，把I/O寄存器看成存储器的一部分，所以对I/O寄存器的操作都用数据传输指令。

①输入指令

MOVA,P1

MOV@Ri,P1MOVRn,P1MOVdirect,P1

MOVXA,@Ri

MOVXA,@DPTR

②输出指令

MOVP1,A

MOVP1,@RiMOVP1,RnMOVP1,direct

MOVX@Ri,A

MOVX@DPTR,A

2.扩展总线

由于数据线与低8位地址线复用P0口,为了把它们分离与片外芯片相连，通常要加锁存器才能构成总线结构。

6.5存储器扩展

1.EPROM扩展

（1）程序存储器有独立的地址空间（0000H～FFFFH），可寻址范围64kB。

程序存储器与数据存储器共用地址总线和数据总线

（2）对片内有ROM/EPROM的单片机，片内ROM与片外ROM采用相同的操作指令，片内与片外程序存储器的选择靠硬件结构实现，即由EA的高低电平来选择。

（3）虽然程序存储器与数据存储器地址重叠，但不会发生冲突。

因为程序存储器使用单独的控制信号和指令，用PSEN作为读操作信号，读取数据用MOVC查表指令。

而读取数据存储器用RD信号和MOVX指令，

（4）随着大规模集成电路的发展，单片程序存储器的容量越来越大，构成系统时所使用的EPROM芯片数量越来越少，因此地址选择大多采用线选法，而不用地址译码法。

2.RAM扩展

MCS-51系列单片机的片内RAM只有128字节（51型）或256字节（52型），如果还不能满足应用要求，就需要进行RAM扩展，扩展时要注意以下几点：

（1）RAM与EPROM地址空间重叠（0000H～FFFFH），寻址范围都为64kB，但由于使用不同的控制信号和指令，RAM使用RD/WR控制线读/写，而EPROM用PSEN作为读操作控制线，故共用地址总线和数据总线不会发生冲突。

（2）I／O及外围接口与RAM实行统一编址，即任何扩展的I／O口及外设均占用RAM地址空间。

（3）访问内部RAM和外部RAM，应选用不同的指令。

①当访问内部RAM时，使用MOV指令，可用寄存器间接寻址或直接寻址

MOVA，＠Ri/direct

MOV＠Ri/direct，A（i＝0，1）

②当访问外部RAM时，只能使用MOVX指令和寄存器间接寻址。

两种情况

·若访问外部RAM的首页，即前256字节，可用下述两条指令：

MOVXA，＠Ri

MOVX＠Ri，A（i＝0，1）

·若访问整个64k外部RAM，则应用下述两条指令：

MOVXA，＠DPTR

MOVX＠DPTR，A

若当前DPTR数据指针另有它用，又需访问整个64k外部RAM，这时低8位地址仍用Ri（i＝0或1）寄存器间接寻址，而高8位可采用预先通过P2口输出地址码的方法。

例如：

MOVP2，#02H；P2口预置高位字节地址02H

MOVR1，#25H；低8位地址25H送R1

MOVXA，＠R1；将0255H内容送A

或MOVX＠R1，A；将A内容送0255H单元

3.片选方法及其地址空间

在一个较复杂的应用系统中，有时需扩展多片存储器。

多片扩展时，各片的数据线、地址线和控制线都并行挂接在系统三总线上，但每片的片选信号CE要分别处理。

产生片选控制信号的方法有两种，即线选法和译码法。

（1）线选法所谓线选法，即用所需的低位地址线进行片内存储单元寻址，余下的高位地址线可分别作不同芯片的片选信号，当某芯片对应的片选地址线输出有效电平时，该芯片被选中，作选通操作。

下图为采用线选法扩展3片2764A的电路原理图。

从图可知，扩展3片2764A除CE片选信号外，其余完全同8031扩展一片2764A的电路设计。

图中三片2764A的三个片选端CE分别与8031的高位地址线P2.5、P2.6和P2.7相连。

当A13、Al4、A15分别为低电平时，选中对应的2764A芯片。

因此三片存储器各片的地址范围是：

2764A

（1）地址范围：

C000H～DFFFH

2764A

（2）地址范围：

A000H～BFFFH

2764A（3）地址范围：

6000H～7FFFH

由此可见，该扩展系统的3片2764A，占用了全部16根地址总线，但寻址的范围之和却只有24KB，且地址范围不连续。

实际上浪费了较大的地址空间。

因此线选法适用于系统中存储器和接口资源较少的情况。

⑵译码法

所谓译码法是指由低位地址线进行片内寻址，高位地址线经过译码器译码产生不同芯片的片选信号。

译码法又分为全译码和部分译码两种方式。

全译码方式是将所余的高位地址线全部参与译码，即作为译码器的输入线，译码器的输出作为片选线。

在全译码片选方式下，每个芯片的地址范围是唯一的，不存在地址重叠问题。

部分译码方式是取所余高位地址线中的部分线参与译码，译码器的输出作片选线。

这种方式下，由于未参与译码的高位地址线状态是不确定的，使得各芯片的地址不唯一，存在着地址重叠。

在译码法中，常用译码器有74LSL38和74LS139等。

74LS138是“3-8”译码器，有3个选择输入端，对应8种输入状态。

输出端有8个，每个输出端分别对应8种输入状态中的1种，低电平有效，即对应某一种输入状态，仅允许1个输出端为低电平，其余全为l。

另外还有3个片选控制引脚G1、G2A和G2B，只有当同时满足G1＝1、G2A＝0和G2B＝0时，才能选通译码器，否则译码器无输出有效。

74LS139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个片选端1/2G，低电平选通；有2个选择输入（A、B），4个译码输出（Y0～Y3），输出低电平有效。

这是采用74LS139译码器扩展3片2764A的电路原理图。

6.6并行接口扩展

在应用系统中，通常需要使用较多的键盘和LED数码管显示器，就需要扩展I／O口来实现。

MCS-51单片机有32根I/O线，如果P0～P2口已用于扩展，用户只能用P1和部分P3口作为I/O线，不够用就需要扩展I/O口。

按MCS-51的结构，扩展的I／O口采取与外部RAM统一编址方法，即两者合用64k地址空间。

因此，CPU可以像访问外部RAM那样访问外部I／O口，对I／O口进行输入／输出操作。

I／O口扩展芯片主要有通用可编程并行接口芯片和TTL、CMOS锁存器、缓冲器电路芯片两大类。

常用的可编程并行接口芯片有

①8255可编程并行接口:

含三个8位并行接口PA、PB和PC口。

②8155/56（CE/CE）可编程多功能接口:

含三个并行接口PA（8）、PB（8）和PC（6）口

256个字节SRAM和1个14位定时器/计数器

8155可编程并行I／O接口的扩展

1．8155的引脚及内部结构

8155芯片为40引脚双列直插封装，单一的+5V电源，其引脚及内部结构如图所示。

AD7～AD0：

三态地址/数复用总线。

与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。

IO／M：

I／O口或RAM选择信号。

当IO／M＝1时，选择8155的I／O口，AD7～AD0上的地址为I／O口地址。

当IO／M＝0时，则选择8155的片内RAM，AD7～AD0上的地址为8155中RAM单元地址（00H～FFH）。

CE：

片选信号，低电平有效。

ALE：

地址锁存信号。

8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE，IO／M的状态都锁存到8155内部锁存器。

因此P0口输出的低8位地址信号不需要外接锁存器。

RD：

读选通信号，控制对8155的读操作。

WR：

写选通信号，控制对8155的写操作。

PA7～PA0：

8位通用I／O口，其输入输出的流向可由程序控制。

PB7～PB0：

8位通用I／O口，功能同A口。

PC5～PC0：

既可作6位通用I／O口，也可作为A口和B口的控制信号线，这些可通过程序控制。

RESET：

复位信号。

该端施加大于640ns的正脉冲时，将8155复位，复位后A口、B口、C口均置为输入方式。

TIMERIN：

定时／计数器脉冲输入端。

TIMEROUT：

定时／计数器输出端。

2.8155的地址编码及工作方式

8155内部有7个寄存器，6个寄存器地址。

当CE=0、IO/M=1时，CPU对I/O口进行读写，访问那个寄存器决定于低3位地址A2A1A0。

A2A1A0选中的寄存器地址

000命令（写入）/状态（读出）寄存器00H

001PA口01H

010PB口02H

011PC口03H

100定时器低8位04H

101定时器高8位05H

命令寄存器与状态寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入，状态寄存器只能读出。

⑴命令寄存器：

8位，只能写入

用MOVDPTR,#XXXXXXXXXXXXX000B

MOVA,#XXH

MOVX@DPTR,A

D3～D0规定工作方式

D5、D4分别规定PB口和PA口的中断

D7、D6用于控制计数器

8155的A口、B口可工作于基本I／O方式或选通I／O方式。

C口可工作于基本I／O方式，也可以作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。

当C口作为状态控制信号时，其各位的作用如下：

PC0：

AINTR（A口中断请求线）

PC1：

ABF（A口缓冲器满信号）

PC2：

ASTB（A口选通信号）

PC3：

BINTR（B口中断请求线）

PC4：

BBF（B口缓冲器满信号）

PC5：

BSTB（B口选通信号）

在不同方式下，A口、B口及C口工作方式定义如下：

PC2PC1工作方式

00ALT1：

C口为输入，A口，B口为基本输入/输出。

11ALT2：

C口为输出，A口，B口为基本输入/输出。

01ALT3：

A口为选通输入/输出，

B口为基本输入/输出。

PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，

PC3～PC5为输出。

10ALT4：

A口、B口为选通输入/输出。

PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，

PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为BSTB。

⑵状态寄存器：

7位，只能读出

8155内的状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。

状态寄存器端口地址与命令寄存器相同，低8位也是00H，状态寄存器的内容只能读出不能写入。

用MOVDPTR,#XXXXXXXXXXXXX000B

MOVXA,@DPTR

状态寄存器的格式如下图所示。

⑶8155的定时器/计数器

8155内部的定时器/计数器是一个14位减法计数器，它对TIMERIN端输入脉冲进行减1计数，当计数结束（即减1计数“回0”）时，由TIMEROUT端输出方波或脉冲。

当TIMERIN接外部脉冲时，为计数方式；接系统时钟时，可作为定时方式。

定时器控制分两层：

①由写入命令寄存器的控制字高两位TM2和TM1决定启动、停止或装入常数。

②由写入计数器的两个寄存器内容决定计数长度和输出方式。

初值范围为0002H～3FFFH。

定时器/计数器由两个8位寄存器构成，其中的低14位组成计数器，剩下的两个高位（M2，M1）用于定义输出方式。

其格式如下：

地址：

05H地址：

04H

8155定时器有4种输出方式和波形可供选择

注意：

任何时候都可设置定时器的长度和工作方式，即使计数器已经计数，也允许装入新的长度和输出方式，当写入启动命令后即可改变定时器的工作方式。

硬件复位后只能停止计数，应注意重新发启动命令。

若写入定时器的计数值为奇数，方波输出是不对称的。

例如计数值为9，定时器输出的方波在前5个脉冲周期内为高电平，后4个脉冲周期内为低电平。