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篇章计划

第七章80C51的系统扩展

（共8次课）

教学目标及基本要求:

1、理解80C51单片机的总线控制逻辑；

2、掌握80C51单片机存储器扩展方法；

3、掌握80C51单片机并行接口扩展方法。

各节（单元）教学内容及学时分配:

§7.1存储器的扩展4学时

§7.2输入/输出及其控制方式2学时

§7.3并行接口的扩展（8155的扩展）4学时

测验

（二）2学时

教学内容的重点、难点及处理方法：

重点：

1、80C51单片机存储器扩展的实现；

2、80C51单片机并行接口扩展的实现。

处理方法：

图示讲解。

难点：

80C51单片机并行接口扩展的实现。

处理方法：

举例讲解。

教学内容的深化和拓展：

教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题:

教学方式：

讲授与多媒体相结合

教学过程中应注意的问题:

结合实际进行讲解

主要参考书目及网络资源:

1、《单片机原理与应用》中国机械教育协会组编

2、《单片机应用新技术教材》朱宇光主编

3、《单片机应用技术》刘守义主编

4、《单片机原理与控制技术》及习题集张志良主编

实践教学安排:

实验四简单I/O口扩展实验

（二）2学时

实验五电子音响实验2学时

第29、30次课

一、教学简要说明：

1、本单元教学重点、难点及处理方法：

重点：

80C51单片机存储器扩展的实现。

处理方法：

图示讲解。

难点：

80C51单片机存储器扩展的实现。

处理方法：

图示讲解。

2、本单元教学方式（手段）或教学内容要点与时间分配：

1）复习20分

2）讲授140分

3）小结10分

4）自行消化10分

3、本单元师生活动设计：

提问。

二、授课内容：

1、复习：

80C51串行接口的结构、控制寄存器及其工作方式。

2、本单元教学内容（具体到知识点）

掌握80C51单片机存储器扩展方法。

3、本单元的讲课提纲、板书设计（或多媒体教学）

§7.1存储器的扩展

一、程序存储器的扩展

1、单片机程序存储器概述

单片机应用系统由硬件和软件组成，软件的载体就是硬件中的程序存储器。

对于80C51系列8位单片机，片内程序存储器的类型及容量下表所示。

80C51系列单片机片内程序存储器一览表

2、常用的程序存贮器

（一）EPROM

2716（2K×8），2732（4K×8），2764（8K×8），27128（16K×8）

27256（32K×8），27512（64K×8）

以上芯片可以一个典型芯片介绍引脚、工作方式。

（二）E2PROM

2816（2K×8），2817（2K×8），2864（8K×8），28256（32K×8）

28010（128K×8），28040（512K×8）。

以上芯片可以一个典型芯片介绍引脚、工作方式。

3、EPROM程序存储器扩展实例

紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM是国内用得较多的程序存储器。

EPROM芯片上有一个玻璃窗口，在紫外线照射下，存储器中的各位信息均变1，即处于擦除状态。

擦除干净的EPROM可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。

例在80C31单片机上扩展4KBEPROM程序存储器。

（一）选择芯片：

本例要求选用80C31单片机，内部无ROM区，无论程序长短都必须扩展程序存储器（目前较少这样使用，但扩展方法比较典型、实用）。

在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。

这样做的话，使用的芯片少，从而接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量也大。

如估计程序总长3KB左右，最好是扩展一片4KB的EPROM2732，而不是选用2片2716（2KB）。

在单片机应用系统硬件设计中应注意，尽量减少芯片使用个数，使得电路结构简单，提高可靠性，这也是89C51比80C31使用更加广泛的原因之一。

（二）硬件电路图：

8031单片机扩展一片2732程序存储器电路如下图所示。

（三）芯片说明：

①74LS373。

74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于片机的三总线结构中，数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。

74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址。

②EPROM2732。

EPROM2732的容量为4K×8位。

4K表示有4×1024（22×210=212）个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度是8位。

前者确定了地址线的位数是12位（A0～A11），后者确定了数据线的位数是8位（O0～O7）。

目前，除了串行存储器之外，一般情况下，我们使用的都是8位数据存储器。

2732采用单一+5V供电，最大静态工作电流为100mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns。

2732的封装形式为DIP24，管脚如下图所示。

EPROM2732管脚及说明

其中，A0～A11为地址线；o0～o7为数据线；/CE为片选线；

VPP为编程电压输入引脚。

（四）扩展总线的产生。

80C51系列单片机由于受管脚的限制，数据线与地址线是复用的，为了将它们分离开来，必须在单片机外部增加地址锁存器，构成与一般CPU相类似的三总线结构（AB、DB、CB）。

（五）连线说明：

①地址线。

单片机扩展片外存储器时，地址是由P0和P2口提供的。

2732的12条地址线（A0～A11）中，低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高4位A8～A11直接与P2口的P2.0～P2.3连接，P2口本身有锁存功能。

注意，锁存器的锁存使能端G必须和单片机的ALE管脚相连。

②数据线。

2732的8位数据线直接与单片机的P0口相连。

因此，P0口是一个分时复用的地址/数据线。

③控制线。

CPU执行2732中存放的程序指令时，取指阶段就是对2732进行读操作。

注意，CPU对EPROM只能进行读操作，不能进行写操作。

CPU对2732的读操作控制都是通过控制线实现的。

2732控制线的连接有以下几条：

直接接地。

由于系统中只扩展了一个程序存储器芯片，因此，2732的片选端直接接地，表示2732一直被选中。

若同时扩展多片，需通过译码法或线选法来完成片选工作。

接8031的读选通信号端。

在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从2732中读出程序。

（六）扩展程序存储器地址范围的确定。

单片机扩展存储器的关键是搞清楚扩展芯片的地址范围，8031最大可以扩展64KB（0000H～FFFFH）。

决定存储器芯片地址范围的因素有两个：

一个是片选端的连接方法，一个是存储器芯片的地址线与单片机地址线的连接。

在确定地址范围时，必须保证片选端为低电平。

二、数据存储器扩展

1、单片机RAM概述

RAM是用来存放各种数据的，80C51系列8位单片机内部有128BRAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令。

但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的RAM是远远不够的。

此时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。

常用的外部数据存储器有静态RAM（StaticRandomAccessMemory—SRAM）和动态RAM（DynamicRandomAccessMemory—DRAM）两种。

前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。

后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。

80C51单片机扩展片外数据存储器的地址线也是由P0口和P2口提供的，因此最大寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）。

一般情况下，SRAM用于仅需要小于64KB数据存储器的小系统，DRAM经常用于需要大于64KB的大系统。

2、常用芯片

6116（2K×8），6264（8K×8），62256（32K×8）

3、SRAM扩展实例

1）应用系统中只扩展一片RAM

例在一单片机应用系统中扩展2KB静态RAM。

（一）芯片选择。

根据题目容量的要求，我们选用SRAM6116。

它是一种采用CMOS工艺制成的SRAM，采用单一+5V供电，输入/输出电平均与TTL兼容，具有低功耗操作方式。

当CPU没有选中该芯片时，芯片处于低功耗状态，可以减少80%以上的功耗。

6116的管脚与EPROM2716管脚兼容，管脚如下图所示。

6116有11条（A0～A10）地址线；8条（D0～D7）双向数据线；/CE为片选线，低电平有效；/WE为写允许线，低电平有效；/OE为读允许线，低电平有效。

（二）硬件电路。

单片机与6116的硬件连接如下图所示。

单片机扩展2KBRAM电路

（三）连线说明。

6116与单片机的连线如下：

地址线：

A0～A10连接单片机地址总线的A0～A10，即P0.0～P0.7、P2.0、P2.1、P2.2共11根。

（四）片外RAM地址范围的确定及使用。

按照上图所示，片选端直接与某一地址线P2.7相连，这种扩展方法称为线选法。

显然，只有P2.7=0，才能够选中该片6116，故其地址范围确定如下：

8031P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0

A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

6116A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

0××××00000000000

0××××00000000001

0××××00000000010

0××××00000000011

0××××11111111111

其中，“×”表示跟6116无关的管脚，取0或1都可以。

如果与6116无关的管脚取0，那么，6116的地址范围是0000H～07FFH；如果与6116无关的管脚取1，那么，6116的地址范围是7800H～7FFFH。

4、本单元的作业布置：

5、小结：

80C51单片机存储器扩展方法。

第31次课

一、教学简要说明：

1、本单元教学重点、难点及处理方法：

重点：

I/O接口的功能及单片机与I/O接口设备的数据传送方式。

处理方法：

举例讲解。

难点：

单片机与I/O接口设备的数据传送方式。

处理方法：

课堂讲解。

2、本单元教学方式（手段）或教学内容要点与时间分配：

1）复习10分

2）讲授70分

3）小结5分

4）自行消化5分

3、本单元师生活动设计：

提问。

二、授课内容：

1、复习：

80C51单片机存储器扩展方法。

2、本单元教学内容（具体到知识点）

1）掌握I/O接口的功能；

2）掌握单片机与I/O接口设备的数据传送方式。

3、本单元的讲课提纲、板书设计（或多媒体教学）

§7.2输入/输出及其控制方式

一、80C51内部并行I/O口及其作用

1、80C51系列单片机内部有4个双向的并行I/O端口：

P0～P3，共占32根引脚。

P0口的每一位可以驱动8个TTL负载，P1～P3口的负载能力为三个TTL负载。

有关4个端口的结构及详细说明，在前面的有关章节中已作过介绍，这里不再赘述。

在无片外存储器扩展的系统中，这4个端口都可以作为准双向通用I/O口使用。

在具有片外扩展存储器的系统中，P0口分时地作为低8位地址线和数据线，P2口作为高8位地址线。

这时，P0口和部分或全部的P2口无法再作通用I/O口。

P3口具有第二功能，在应用系统中也常被使用。

因此在大多数的应用系统中，真正能够提供给用户使用的只有P1和部分P2、P3口。

综上所述，80C51单片机的I/O端口通常需要扩充，以便和更多的外设（例如显示器、键盘）进行联系。

在80C51单片机中扩展的I/O口采用与片外数据存储器相同的寻址方法，所有扩展的I/O口，以及通过扩展I/O口连接的外设都与片外RAM统一编址，因此，对片外I/O口的输入/输出指令就是访问片外RAM的指令，即：

MOVX@DPTR,A

MOVX@Ri,A

MOVXA,@DPTR

MOVXA,@Ri

2、输入/输出接口的功能：

1）单片机与I/O设备的关系：

见图7.10

CPU与I/O设备间的数据传送，实际上是CPU与I/O接口间的数据传送。

2）I/O口的功能：

①对单片机输出的数据锁存；

②对输入设备的三态缓冲；

③信号转换；

④时序协调。

一、单片机与I/O接口设备的数据传送方式：

1、无条件传送：

2、查询状态传送：

3、中断传送方式：

4、直接存储器存取（DMA）方式：

4、本单元的作业布置：

5、小结：

1）I/O接口的功能；

2）单片机与I/O接口设备的数据传送方式。

第32、33次课

一、教学简要说明：

1、本单元教学重点、难点及处理方法：

重点：

简单的I/O口扩展和可编程接口8155的扩展方法。

处理方法：

举例讲解。

难点：

可编程接口8155的扩展方法。

处理方法：

课堂讲解。

2、本单元教学方式（手段）或教学内容要点与时间分配：

1）复习20分

2）讲授140分

3）小结10分

4）自行消化10分

3、本单元师生活动设计：

提问。

二、授课内容：

1、复习：

1）I/O接口的功能；

2）单片机与I/O接口设备的数据传送方式。

2、本单元教学内容（具体到知识点）

1）掌握简单的I/O口扩展方法；

2）理解可编程接口8155的扩展方法。

3、本单元的讲课提纲、板书设计（或多媒体教学）

§7.3并行接口的扩展（可编程接口8155的扩展）

一.并行输入/输出接口的简单扩展：

简单的I/O口扩展通常是采用TTL或CMOS电路锁存器、三态门等作为扩展芯片，通过P0口来实现扩展的一种方案。

它具有电路简单、成本低、配置灵活的特点。

扩展实例：

下图为采用74LS244作为扩展输入、74LS273作为扩展输出的简单I/O口扩展。

1.芯片及连线说明

电路中采用的芯片为TTL电路74LS244、74LS273。

其中，74LS244为8缓冲线驱动器（三态输出），、为低电平有效的使能端。

当二者之一为高电平时，输出为三态。

74LS273为8D触发器，为低电平有效的清除端。

当=0时，输出全为0且与其它输入端无关；CP端是时钟信号，当CP由低电平向高电平跳变时刻，D端输入数据传送到Q输出端。

P0口作为双向8位数据线，既能够从74LS244输入数据，又能够从74LS273输出数据。

输入控制信号由P2.0和相“或”后形成。

当二者都为0时，74LS244的控制端有效，选通74LS244，外部的信息输入到P0数据总线上。

当与74LS244相连的按键都没有按下时，输入全为1，若按下某键，则所在线输入为0。

输出控制信号由P2.0和相“或”后形成。

当二者都为0后，74LS273的控制端有效，选通74LS273，P0上的数据锁存到74LS273的输出端，控制发光二极管LED，当某线输出为0时，相应的LED发光。

2. I/O口地址确定

简单I/O口扩展电路

因为74LS244和74LS273都是在P2.0为0时被选通的，所以二者的口地址都为FEFFH（这个地址不是惟一的，只要保证P2.0=0，其它地址位无关）。

但是由于分别由和控制，因而两个信号不可能同时为0（执行输入指令，如MOVXA，@DPTR或MOVXA，@Ri时，有效；执行输出指令，如MOVX@DPTR，A或MOVX@Ri，A时，有效），所以逻辑上二者不会发生冲突。

3.编程应用

下述程序实现的功能是按下任意键，对应的LED发光。

CONT：

MOVDPTR，#0FEFFH；数据指针指向口地址

MOVXA，@DPTR；检测按键，向74LS244读入数据

MOVX@DPTR，A；向74LS273输出数据，驱动LED

SJMPCONT；循环

二、可编程接口8155的扩展

1、8155的内部结构和引脚排列

1）外部引脚

8155芯片为40引脚双列直插封装，单一的＋5V电源，如下图所示。

其中：

：

A口的输入输出信号线。

该口作输入还是输出，由软件决定

：

B口的输入输出信号线。

该口作输入还是输出，由软件决定。

：

C口信号线。

该口可作输入、输出口外，还可以传送控制和状态信号，因此C口共有四种工作方式，即：

输入方式（ALT1），输出方式（ALT2），A口控制端口方式（ALT3）以及A口和B口控制端口方式（ALT4）。

其工作方式由软件决定。

～

：

地址数据复用线。

：

片选信号。

低电平有效。

2）8155外部引脚

：

IO和RAM的选择信号。

＝0，选中RAM；

＝1，选中IO口。

：

地址锁存信号。

除了进行

～

的地址锁存控制外，还用于把片选信号

和

等信号进行锁存。

：

读选通信号。

：

写选通信号。

：

复位信号。

复位后A口、B口和C口均为数据输入方式。

TIMERIN：

定时器/计数器的计数脉冲输入端。

TIMEROUT：

定时器/计数器输出端。

3）内部逻辑结构

8155的内部逻辑结构如下图所示。

由图可以看出，8155由三部分组成，即：

存储单元为256字节的静态RAM；3个可编程的I/O，其中2个口（A口和B口）为8位口，1个口（C口）为6位口；1个14位的定时器/计数器

由以上可知8155有A口、B口、C口和定时器/计数器低8位以及定时器/计数器高8位五个端口，另外8155内部还有一个命令/状态寄存器，所以8155内部共有6各端口。

对它们只需要使用

即可实现编址，如下表所示。

8155的端口地址编码

AD7

AD6

AD5

AD4

AD3

AD2

AD1

AD0

对应端口

命令/状态寄存器

A口

B口

C口

定时器/计数器低8位

定时器/计数器高8位

三、8155的命令/状态字

1.8155的命令字

由以上内容可知，8155的A口有输入和输出两种工作方式，B口也有输入和输出两种工作方式，而C口有输入方式（ALT1），输出方式（ALT2），A口控制端口方式（ALT3）以及A口和B口控制端口方式（ALT4）四种工作方式。

这些端口的工作方式是由8155内部的命令寄存器（命令字）来控制的。

命令字除了规定端口的工作方式还规定了定时器/计数器的工作方式。

命令字只能进行写操作。

其格式如下图所示。

当以无条件方式进行数据输入输出时，由于不需要任何联络信号，因此这时A口、B口和C口都可以进行数据的输入输出操作。

当A口或者B口以中断方式进行数据传送时，所需要的联络信号由C口提供，其中

为A口提供，

为B口提供。

各联络信号的定义如下表所示。

联络信号

C口

对A口控制（ALT3）

对A口和B口控制（ALT4）

AINTR

ABF

输出

BINTR

输出

BBF

输出

联络信号共有三个，其中：

INTR：

中断请求信号（输出），高电平有效。

送给MCS-51单片机的外中断请求

BF：

缓冲器满状态信号（输出），高电平有效。

：

选通信号（输入），低电平有效。

数据输入时，

是外设送来的选通信号；数据输出时，

是外设送来的应答信号。

以中断方式进行数据输入输出时，其过程和8255基本相同，在此不作赘述。

2.8155的状态字

状态字只能读不能写，所以8155的命令字和状态字共用一个地址。

当对命令/状态字进行写操作时，写进去的是命令，当对命令/状态字进行读操作时，读出来的是状态。

状态字用于寄存各端口及定时器/计数器的工作状态。

其格式如下图所示。

四、8155的定时器/计数器

1.8155定时器/计数器的计数结构

8155的定时器/计数器是一个14位的减法计数器，由两个8位寄存器构成，如图7.21所示。

以其中的低14位组成计数器，剩下的两个高位（

，

）用于定义计数器输出的信号形式。

2.定时器/数器的使用

8155的定时器/计数器与MCS-51单片机芯片内部的定时器/计数器，在功能上是完全相同的，同样具有定时和计数两种功能。

但是在使用上却与80C51单片机的定时器/计数器有许多不同之处。

具体表现在：

①8155的定时器/计数器是减法计数，而80C51单片机的定时器/计数器却是加法计数，因此确定计数初值的方法是不同的。

②MCS-51单片机的定时器/计数器有多种工作方式，而8155的定时器/计数器只有一种固定的工作方式，即14位计数。

通过软件方法进行计数初加载。

③ MCS-51单片机的定时器计数器有两种计数脉冲。

定时功能时，以机器周期为计数脉冲；计数功能时，从芯片外部引入计数脉冲。

但8155的定时器/计数器，不论是定时功能还是计数功能都是由外部提供计数脉冲，其信号引脚是TIMERIN。

④ MCS-51单片机的定时器/计数器，计数溢出时，自动置位TCON寄存器的计数溢出标志位（TF）,供用户查询或中断方式使用；但8155的定时器/计数器，计数溢出时向芯片外部输出一个信号（TIMEROUT）。

而且这一信号还有脉冲和方波两种形式，可由用户进行选择。

具体由

，

两位定义：

=00单个方波

=01连续方波

=10单个脉冲

=11连续脉冲

这四种输出形式如下图所示。

3.定时器/计数器的控制

8155定时器/计数器的工作方式由命令字中的最高两位

进行控制。

具体说明如下：

D7D6=00不影响计数器工作。

D7D6=01停止计数。

如计数器未启动则无操作，如计数器正运行则停止计数。

D7D6=10达到计数值（计数器减为0）后停止。

D7D6=11 启动，如果计数器没运行，则在装入计数值后开始计数；如果计数器已运行，则在当前计数值计满后，再以新的计数值进行计数。

五、8155与单片机的接口

8155与MCS-51单片机的连接比较简单，因为8155的许多信号与MCS-51单片机兼容，可以直接连接。

下表列出了这些信号的对应关系。

8155与80C51单片机兼容的信号

8155

80C51单片机

8155

80C51单片机

～

口

ALE

RESET

RST

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