《单片机原理及应用（第2版）》张兰红第9章单片机系统扩展技术

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1、1,3.7,第9章 80C51单片机系统扩展技术,单片机系统扩展概述,9.1,数据存储器的扩展,9.2,并行I/O口的扩展,9.3,键盘接口技术,9.4,LCD液晶显示器与单片机的接口,9.5,07:33,2,单片微机，在一片芯片上集成了计算机的基本功能部件，理应独立作为计算机使用，更好地发挥其体积小、重量轻、价格低、耗电少的优点。然而，在组成计算机系统时，有时在使用过程中会嫌单片机本身的功能部件容量还不够，这就需要予以扩展。,9.1 单片机系统扩展概述,单片机实物,07:33,3,复习：单片机最小应用系统,单片机最小应用系统就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统，是大多数单片机控制系统中不

2、可缺少的关键部分。,80C51系列单片机包括51和52两个子系列，不同型号的单片机内部资源部一样，最小系统的组成也不一样。,07:33,4,07:33,5,复习：单片机最小应用系统,1. 片内带程序存储器的单片机的最小应用系统 (1)单片机(8051、 8751、8052)， (2) 时钟电路， (3) 复位电路即可构成最小应用系统。,2. 片内无程序存储器的单片机的最小应用系统 (1) 单片机(8031、 8032)， (2) 时钟电路， (3) 复位电路 (4) 片外存储器芯片 (5) 地址锁存器,07:33,6,片内带程序存储器的单片机的最小应用系统,特点： (1) 系统有大量的I/O线

3、可供用户使用。 P0、 P1、 P2、 P3四个口都可以作为I/O口使用。 (2) 内部存储器的容量有限，只有128B的RAM和4 KB的程序存储器。,07:33,7,单片机的最小应用系统,07:33,8,片内不带程序存储器的单片机的最小应用系统(8031、8032）,PSEN,OE,特点： (1) 需要外接片外存储器芯片; (2) 外接地址锁存器芯片； (3) 接口少。,07:33,9,80C51系列单片机的编程结构,9.1.1 单片机系统扩展资源分类,07:33,10,扩展一般有以下几方面的内容: 外部程序存储器的扩展; 外部数据存储器的扩展; 输入/输出接口的扩展; 管理功能器件的扩展(

4、如定时/计数器、 键盘/显示器、 中断控制器等)。 扩展的基本方法: 使用TTL中小规模集成电路进行扩展。,9.1.1 单片机系统扩展资源分类,07:33,11,9.1.2 单片机系统扩展结构,80C51单片机系统扩展采用三总线结构，即地址总线、数据总线和控制总线。,图9-1 AT89C51单片机扩展时三总线,07:33,12,系统扩展的首要问题: 构造系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储器芯片或I/O接口芯片，“挂”存储器芯片就是存储器扩展，“挂”I/O接口芯片就是I/O扩展。 80C51由于受引脚数目的限制，数据线和低8位地址线复用。 为了将它们分离出来，需要外加地址锁存器，从而构成与一

5、般CPU相类似的片外三总线。,07:33,13,地址总线(AB): 由P2口提供高8位地址线, 此口具有输出锁存的功能, 能保留地址信息。 由P0口提供低8位地址线。 数据总线(DB): 由P0口提供。 此口是双向、 输入三态控制的8位通道口。 控制总线(CB): 扩展系统时常用的控制信号为: ALE地址锁存信号, 用以实现对低8位地址的锁存。 片外程序存储器取指信号。 片外数据存储器读信号。 片外数据存储器写信号。,07:33,14,9.2 数据存储器的扩展,目前大多数单片机都含有大容量Flash EEPROM，其存储单元数量都达到了64KB，能满足绝大多数用户程序存储的需要，故很少再进行片

6、外程序存储器的扩展。但单片机的内部数据存储器容量较小，其中一些已作为工作寄存器、堆栈和数据缓冲器使用，当控制系统需要暂存的数据量较大时，片内RAM常常不够用，常需进行数据存储器的扩展。 若要扩展片外程序存储器，方法与数据存储器扩展相类似，不同之处仅在于控制信号的接法不一样，扩展数据存储器用单片机的RD和WR信号直接与数据存储器的OE 端和WE端相连，发送读、写控制信号，扩展程序存储器则用单片机的PSEN信号与程序存储器的OE端相连，发送读控制信号。,07:33,15,9.2.1 数据存储器芯片,典型型号有: 6116、6264、62128、62256。+5V电源供电，双列直插，6116为24引

7、脚封装，6264、62128、62256为28引脚封装。,6116：2KB,62128：16KB,6264：8KB,62256：32KB,07:33,16,07:33,17,9.2.2 地址锁存器芯片,1. 锁存器74LS373,07:33,18,2. 锁存器8282 功能及内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚的排列与74LS373不同 ，8282的引脚如下图。,07:33,19,引脚的排列为绘制印刷 电路板时的布线提供了方便。,07:33,20,3. 锁存器74LS573 输入的D端和输出的Q端也是依次排在芯片的两侧，与锁存器8282一样，为绘制印刷电路板时的布线提供了方便。,07:

8、33,21,9.2.3 数据存储器的扩展电路,07:33,22,图9-7 AT89C51外扩一片6264的电路连接,例9-1 对AT89C51单片机外扩一片8kB的RAM 6264芯片。,解：扩展的电路连接如图9-7所示。由于只有一片存储器芯片，所以将6264的片选直接接地。 6264芯片中存储单元的地址变化范围为：xxx0 0000 0000 0000Bxxx1 1111 1111 1111B，即单片机地址线的P2.4P2.0与P0.7P0.0发出的信号可以从全0变化到全1，P2.7P2.5因为没有与6264相连，所以状态任意。如果将任意状态x都看成0，则6264的地址范围为：0000 00

9、00 0000 0000B0001 1111 1111 1111B，即0000H1FFFH。,07:33,23,9.2.4存储器的编址,存储器扩展的核心问题是存储器的编址问题。 所谓编址，就是利用单片机系统提供的地址总线，通过适当的连接，使系统中每一个外扩芯片的每一个单元都有一个唯一的地址，以便保证同一时刻只能有一个外设使用数据总线与CPU交换数据，保证系统有条不紊地工作。 存储器芯片内部有多个可寻址单元，因此编址涉及两方面问题：一个是片内单元的编址，称为片内寻址，由芯片内部的地址译码电路完成，只需将存储器芯片自身的地址线与单片机的地址线按位号对应相连；另一个是存储器芯片的片选/使能信号产生问

10、题，称为芯片寻址，由单片机剩余的地址线通过片外译码电路完成。 编址技术就是研究系统地址空间的分配问题，即如何产生芯片片选/使能信号的问题。存储器存在编址问题，本章后面所讲的各种外扩芯片也都存在编址问题。,07:33,24,通常，产生外扩芯片片选信号的方法有2种：线选法和译码法。 1. 线选法 线选法是指直接将单片机高位地址线作为外扩芯片的片选信号，即把单片机选定的高位地址线与外扩芯片的片选/使能端(或)直接连接。,例9-2 设计两片RAM 6264芯片与AT89C51单片机的连接电路，两片6264芯片的片选信号采用线选法产生，计算存储器的地址范围。,解：6264地址线有13条(A12A0)，因

11、此低位地址线为A12A0，高位地址线为A15A13。片内地址范围均为0000H1FFFH。6264(1)的片选线接P2.5，6264(2)的片选线接P2.6，单片机与存储器的连接电路如图9-8所示。,07:33,25,图9-8 采用线选法扩展两片6264的电路连接,芯片的地址计算过程及地址范围 :,07:33,26,高位未用的地址线P2.7取为1，实际上也可以为0。当P2.7为0时，6264(1)的地址范围为4000H5FFFH；6264(2)的地址范围为2000H3FFFH； 可见，芯片上的一个单元可以有多个地址，即地址不唯一，通常称为地址重叠。原因是因为有的高位线没有参与片选信号的产生，可

12、以是1也可以是0。 由例9-2可知，线选法的特点是电路简单，不需外加地址译码电路；但芯片占用的存储空间不紧凑，寻址范围不唯一，且地址空间利用率低，可扩展的芯片个数少。适用于小规模单片机应用系统的简单扩展。,07:33,27,2. 译码法 译码法是利用片外译码电路对系统高位地址线进行译码，产生外围芯片的片选信号，低位地址线仍用于片内寻址。其中，当所有高位地址线都参与译码时称为全译码法，只有部分高位地址线参与译码时称为部分译码法。,译码电路可用专用的译码器芯片实现，单片机应用系统常用的译码器有以下3种： 2-4译码器(如双2-4译码器74LS139)，可对2位高位地址进行译码，产生4个片选信号，最

13、多可外接4个芯片。 3-8译码器(如74LS138)，可对3位高位地址进行译码，产生8个片选信号，最多可外接8个芯片。 4-16译码器(如74LS154)，可对4位高位地址进行译码，产生16个片选信号，最多可外接16个芯片。 译码法的地址计算方法同线选法类似，不同之处在于片外地址的形成与译码电路有关，需要进行简单计算。,07:33,28,例9-3 在AT89C51单片机外扩4片6264芯片，设计单片机与存储器的连接电路，要求6264芯片的片选信号采用译码法产生，计算存储器的地址范围。,解：4片6264的地址线均有13条，因此低位地址线为A12A0，高位地址线为A15A13。4个芯片的片选线采用

14、3-8译码器译码后获得，电路连接如图9-10所示。,图9-10 采用AT89C51单片机外扩4片6264的电路连接,07:33,29,图9-10 采用AT89C51单片机外扩4片6264的电路连接,图9-12 例9-3中扩展芯片的地址范围,07:33,30,由于高位地址线全部参与产生片选信号，因此芯片上的单元与地址一一对应，地址不重叠，且4个芯片的地址连续。 本题也可以利用2-4译码器实现，这样只有2条高位地址线参与译码，为部分译码法。由于剩余的一条地址线可0可1，因此也会出现地址重叠现象。 由例9-3可知，译码法的特点是对系统地址空间的利用率高，各芯片的地址连续，特别是全译码法，每个芯片上每

15、个单元只有一个唯一的系统地址，不存在地址重叠现象，利用相同位数的高位地址线，全译码法产生的片选信号线比线选法多，可扩展更多的外围芯片。部分译码法虽然存在地址重叠现象，但译码电路更简单。译码法适用于较复杂的单片机系统的扩展。,07:33,31,9.3 并行I/O接口的扩展,单片机系统内部具有4个8位并行I/O口，均可用于双向并行I/O接口，与外部设备相连。 但在实际应用中，只有在单片机的最小应用系统下，这4个I/O口才作为通用I/O口使用。在系统进行外部扩展时，P0口作为数据总线和低8位地址总线，P2口作为高8位地址总线，P3口用于第二功能提供部分控制总线，因此用户只能使用P1口，这在外设较多的

16、情况往往不够用，必须进行并行I/O口的扩展。,07:33,32,9.3.1 并行I/O口扩展概述,1. 并行I/O口的扩展方法,(1) 并行总线扩展,将待扩展的I/O接口芯片的数据线与单片机的数据总线（P0口）并接，需要一根片选信号线，并分时占用P0口。 特点：由于不影响其他芯片的连接与操作，也不给单片机硬件带来额外开支，因此在应用系统的并行I/O口扩展中被广泛采用。,(2) 串行口扩展方法,单片机串行口的工作方式0为移位寄存器方式，对于不使用串行口的单片机应用系统，可在串行口外接一串入/并出移位寄存器以实现并行I/O口的扩展。通过移位寄存器的级联，还可扩展大量的并行I/O口线。 特点：这种扩展方法数据传输速度较慢。,07:33,33,2. I/O口的编址方式,I/O接口中的端口 ：指存放地址、数据、控制信息的寄存器,I/O端口的编址方式有独立编址和统一编址,(1) 独立编址方式 独立编址是指I/O端口的地址空间与存储器地址空间相互独立，完全分开。 优点是有专门的输入/输