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1、第4章MCS-51单片机系统的扩展技术,主要内容：MCS-51单片机系统扩展的基本原理和方法。常用器件的选择和应用，常用总线标准和典型接口电路。要求学生掌握单片机系统扩展的原理、方法，并能根据工程要求进行系统扩展。重点在于常用器件的选择和应用，常用总线标准和典型接口电路，单片机系统扩展的基本原理和方法。难点在于存储器地址重叠，灵活运用所学知识根据实际需要进行系统扩展。,4.1MCS-51单片机系统扩展概述,系统扩展是指为加强单片机某方面功能，在最小应用系统基础上，增加一些外围功能部件而进行的扩充。4.1.1MCS-51系列单片机的外部扩展原理1MCS-51系列单片机的片外总线结构MCS-51系
2、列单片机具有很强的外部扩展功能。其外部扩展都是通过三总线进行的。（1）地址总线（AB）地址总线用于传送单片机输出的地址信号，宽度为16位，P0口经锁存器提供低8位地址，锁存信号是由CPU的ALE引脚提供的；P2口提供高8位地址。（2）数据总线（DB）数据总线是由P0口提供的，宽度为8位。,（3）控制总线（CB）控制总线实际上是CPU输出的一组控制信号。MCS-51单片机通过三总线扩展外部设备的总体结构图如下图所示。,4.1MCS-51单片机系统扩展概述,4.1.1MCS-51系列单片机的外部扩展原理1MCS-51系列单片机的片外总线结构,（1）地址总线（AB）（2）数据总线（DB）（3）控制总
3、线（CB）,2MCS-51系列单片机系统的扩展能力,片外可扩展存储器的最大容量为216=64KB，地址范围为0000HFFFFH。允许片外程序存储器和数据存储器的地址重叠。I/O接口的编址方法：一种是独立编址，另一种是统一编址。MCS-51单片机采用了统一编址方式，即I/O端口地址与外部数据存储单元地址共同使用0000HFFFFH（64KB）。当MCS-51单片机应用统扩展较多外部设备和I/O接口时，要占去大量的数据存储器的地址。,4.1.2MCS-51单片机系统地址空间的分配,系统空间分配：通过适当的地址线产生各外部扩展器件的片选/使能等信号就是系统空间分配。编址：编址就是利用系统提供的地址
4、总线，通过适当的连接，实现一个编址惟一地对应系统中的一个外围芯片的过程。编址就是研究即系统地址空间的分配问题。片内寻址：若某芯片内部还有多个可寻址单元，则称为片内寻址编址的方法：芯片的选择是由系统的高位地址线通过译码实现的，片内寻址直接由系统低位地址信息确定。产生外围芯片片选信号的方法有三种：线选法、全地址译码法和部分译码法。,1.线选法,2.全地址译码法,3.部分地址译码法,线选法：直接以系统空闲的高位地址线作为芯片的片选信号。优点是简单明了，无须另外增加电路，缺点是寻址范围不惟一，地址空间没有被充分利用，可外扩的芯片的个数较少。线选法适用于小规模单片机应用系统中片选信号的产生。2.全地址译
5、码法全地址译码法：利用译码器对系统地址总线中未被外扩芯片用到的高位地址线进行译码，以译码器的输出作为外围芯片的片选信号。常用的译码器有：74LS139，74LS138，74LS154等。优点是存储器的每个存储单元只有惟一的一个系统空间地址，不存在地址重叠现象；对存储空间的使用是连续的，能有效地利用系统的存储空间。缺点是所需地址译码电路较多，。全地址译码法是单片机应用系统设计中经常采用的方法。,1.线选法,3.部分地址译码法部分地址译码法：单片机的未被外扩芯片用到的高位地址线中，只有一部分参与地址译码，其余部分是悬空的。优点是可以减少所用地址译码器的数量。缺点是存储器每个存储单元的地址不是惟一的
6、，存在地址重叠现象。因此，采用部分地址译码法时必须把程序和数据存放在基本地址范围内，以避免因地址重叠引起程序运行的错误。,4.2存储器的扩展,MCS-51单片机对外部存储器的扩展应考虑的问题：（1）选择合适类型的存储器芯片只读存储器（ROM）常用于固化程序和常数，可分为掩膜ROM、可编程PROM、紫外线可擦除EPROM和电可擦除E2PROM几种。随机存取存储器（RAM）常用来存取实时数据、变量和运算结果。此外，还可以选择OTPROM、Flash存储器、用于多处理机系统的DPRAM（双端口RAM）等。,（2）工作速度匹配MCS-51的访存时间（单片机对外部存储器进行读写所需要的时间）必须大于所用
7、外部存储器的最大存取时间（存储器的最大存取时间是存储器固有的时间）（3）选择合适的存储容量在MCS-51应用系统所需存储容量不变的前提下，若所选存储器本身存储容量越大，则所用芯片数量就越少，所需的地址译码电路就越简单。（4）合理分配存储器地址空间的分配存储器的地址空间的分配必须满足存储器本身的存储容量，否则会造成存储器硬件资源的浪费。（5）合理选择地址译码方式可根据实际应用系统的具体情况选择线选法、全地址译码法、部分地址译码法等地址译码方式。,4.2.1程序存储器扩展,单片机内部没有ROM,或虽有ROM但容量太小时,必须扩展外部程序存储器方能工作。最常用的ROM器件是EPROM1.常用EPRO
8、M程序存储器EPROM主要是27系列芯片，如:2764(8K)/27128(16K)/27256(32K)/27040(512K)等，一般选择8KB以上的芯片作为外部程序存储器。,引脚符号的含义和功能如下：D7D0：三态数据总线；A0Ai：地址输入线，i=1215。2764的地址线为13位，i=12；27512的地址线为16位，i=15；：片选信号输入线；：输出允许输入线；VPP：编程电源输入线；：编程脉冲输入线；VCC：电源；GND：接地；NC：空引脚。,273227512芯片的读、维持操作方式各引脚的状态如下表所示。,2.地址锁存器,程序存储器扩展时，还需要地址锁存器，地址锁存器常用的有带
9、三态缓冲输出的8D锁存器74LS373、带有清除端的74LS273。74LS373是带有三态门的8D锁存器，当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许锁存器输出，锁存控制端为11脚LE，采用下降沿锁存，控制端可以直接与CPU的地址锁存控制信号ALE相连。74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。地址锁存器使用74LS373较多。引脚图如下页图所示。与8051连接电路如下页图所示。,2.地址锁存器,程序存储器扩展时，还需
10、要地址锁存器，地址锁存器常用的有带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373、带有清除端的74LS273。,3典型扩展电路,MCS-51外扩存储器时应考虑锁存器的选择与连接，译码方式，存储器的选择与连接。访问程序存储器的控制信号有：ALE-地址锁存信号PSEN-片外程序存储器读信号EA-片内、外程序存储器访问选择信号EA=0：访问片外；EA=1：访问片内。8051扩展2764的电路连接方法：数据线：P0口接EPROM的D0D7；地址线：2764容量为8KB，213=8KB，需要A0A12共13根地址线。P0口经地址锁存器后接EPROM的A0A7；为了与片内存储器的空间地址衔接，P2.0P2.3接E
11、PROM的A8A11，P2.4经非门后与A12连接。控制线：ALE接373的LE，PSEN接EPROM的OE，EA接VCC，只有一片EPROM，片选CE接地。,3典型扩展电路,MCS-51外扩存储器时应考虑锁存器的选择与连接，译码方式，存储器的选择与连接。访问程序存储器的控制信号有：ALE-地址锁存信号PSEN-片外程序存储器读信号EA-片内、外程序存储器访问选择信号EA=0：访问片外；EA=1：访问片内。,扩展电路如下：,2764的地址范围为：1000H2FFFH。8051片内存储器的范围为：0000H0FFFH。,4.超出64KB容量程序存储器的扩展,MCS-51单片机提供16位地址线，可
12、直接访问程序存储器的空间为64KB（216），若系统的程序总容量需求超过64KB，如何来实现？如下图所示为系统扩展128KB程序存储空间（264KB）示意图。P1.0输出高电平，访问A芯片；P1.0输出低电平，访问B芯片。,4.2.2数据存储器扩展,单片机内部的RAM为128B（或256B），有的单片机应用系统需要扩展外部数据存储器RAM(如数据采集系统数据量较大，需要专设RAM或FlashRAM)。最常用的RAM器件是静态RAM（SRAM）。,1.常用静态RAM存储器常用的SRAM有6116(2K)、6264(8K)、62128(16K)、62256(32K)、628128(128K)等。一
13、般选择8KB以上的芯片作为外部程序存储器。其引脚图如下页图所示。,静态RAM存储器有三种工作方式：数据的读出、写入和维持，其操作控制如下表所示。,MCS-51扩展数据存储器与扩展程序存储器电路的异同：（1）所用的地址总线，数据总线完全相同；（2）读/写控制线不同：扩展程序存储器的读选通信号由PSEN控制，扩展数据存储器的读、写控制线用RD、WR分别控制存储器芯片的OE和WE；（3）数据存储器与程序存储器的地址可以重叠，因为扩展它们的控制信号不同。（4）I/O扩展的地址空间与数据存储器扩展的空间是共用的，所以扩展数据存储器涉及到的问题远比扩展程序存储器扩展多。,2.数据存储器典型扩展电路,MCS
14、-51扩展6264的电路连接方法：数据线：P0口接RAM的D0D7；地址线：6264容量为8KB，213=8KB，需要A0A12共13根地址线。P0口经地址锁存器后接RAM的A0A7；P2.0P2.4接RAM的A8A12。控制线：ALE接373的LE，RD接RAM的OE、WR接RAM的WE，只有一片EPROM，且系统无其他I/O接口及外围设备扩展，片选CE可以接地。扩展电路如下页图所示。,6264的地址范围为：0000H1FFFH。,2.数据存储器典型扩展电路,例题在上页图的数据存储器扩展电路中，将片内RAM以50H单元开始的16个数据，传送片外数据存储器0000H开始的单元中。程序如下：OR
15、G1000HMOVR0,#50H;数据指针指向片内50H单元MOVR7,#16;待传送数据个数送计数寄存器MOVDPTR,#0000H;数据指针指向数据存储器6264的0000H单元AGAIN:MOVA,R0;片内待输出的数据送累加器AMOVXDPTR,A;数据输出至数据存储器6264INCR0INCDPTR;修改数据指针DJNZR7,AGAIN;判断数据是否传送完成RETEND,4.2.3MCS-51对外部存储器的扩展,下图所示的8031扩展系统中，外扩了16KB程序存储器（使用两片2764芯片）和8KB数据存储器（使用一片6264芯片）。采用全地址译码方式，P2.7用于控制24译码器的工作
16、，P2.6,P2.5参加译码，且无悬空地址线，无地址重叠现象。1#2764,2#2764,3#6264的地址范围分别为：0000H1FFFH,2000H3FFFH,40005FFFH。,4.2.4程序存储空间和数据存储空间的混合,在硬件结构上将信号和信号相“与”后连接到RAM芯片的读选通端，这样就能使程序存储空间和数据存储空间混合。如右图所示。将程序装入6264中，很容易进行读写修改，执行程序时，由信号选通RAM读出。调试通过后，再将RAM6264调换成EPROM2764。,4.3并行I/O口的扩展,MCS-51单片机具有四个并行8位I/O口（即P0,P1,P2,P3），原理上这四个I/O口均可用做双向并行I/O接口，但在实际应用中，可提供给用户使用的I/O口只有P1口和部分P3口线及作为数据总线用的P0口。,在单片机的I/O口线不够用的情况下，可以借助外部器件对I/O口进行扩展。可资选用的器件很多，方案也有多种。4.3.1概述1.单片
