第4章MCS-51单片机系统的扩展技术

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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：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：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。第4章 MCS-51单片机系统的扩展 技术4.1 MCS-51单片机系统扩展概述4.2 存储器的扩展4.3 并行I/O口的扩展4.4 时钟芯片的扩展4.5 系统监控芯片的扩展4.6 总线接口扩展4.1 MCS-51

2、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。 4.1.1 MCS-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

3、 机通过三总线扩展外部设备的总体结构图如下图所示。 硬件电路图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统一编址为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。4.1.2 MCS-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

4、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，则称其内部单元 寻址为片内寻址。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。 直接以系统空闲的高位地址线作为外部芯片的片选信号。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

5、系统中片选信号的产生。2. 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

6、存储单元的地址不是惟一的，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4.2.1 程序存储器扩展4.2.2 数据存储器扩展4.2.3 MCS-51对外部存储器的扩展4.2.4 程序存储空间和数据存储空间的混合存储器是计算机系统中的记忆装置，用来存放程序和程序运行所需要的 数据。单片机系统扩展的存储器通常使用半导体存储器，根据用途可以分为 程序存储器（一般用ROM）和数据存储器（一般用RAM）两种类型。 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（ R

7、OM ）：常用于固化程序和常数。可分为ROM、PROM 、EPROM和E2PROM。若所设计的系统是小批量生产或开发产品，使用EPROM和E2PROM ；若为成熟的大批量产品，则应采用PROM或掩膜ROM 。 随机存取存储器（ RAM ）：常用来存取实时数据、变量和运算结果。 可分为SRAM和DRAM两类。 所用的RAM容量较小或要求较高的存取速度，则宜采用SRAM； 若所用的RAM容量较大或要求低功耗，则应采用DRAM，以降低成本。此外，还可以选择OTP ROM、Flash存储器、FRAM、NVSRAM、用于 多处理机系统的DSRAM（双端口RAM）等。（2）工作速度匹配MCS-51的访存时

8、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线选法、全地址译码法、部分地址译码法。 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

9、是EPROM。1. 常用EPROM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。其引脚图如下图所示。 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

10、存器 程序存储器扩展时，还需要地址锁存器，常用的有： （1）带三态缓冲输出的8D锁存器74LS37374LS373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。74LS373使用较多。 硬件电路图（2）带有清除端的8D触发器74LS27374LS273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

11、连。硬件电路图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EPROM的A8A11 ， P2.4经非门后与A12连接。控制线：ALE接373的L

12、E，PSEN接EPROM的OE，EA接VCC，只有一片 EPROM，片选CE接地。2764的地址范围为：1000H2FFFH。8051片内存储器的 范围为： 0000H0FFFH。硬件电路图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，可直接访问程序存储器的 空间为64 KB（216），若系统的程序总容量需求超过64 KB，可 以采用区选法来实现。单片机系统的程序存储器每个区为64 KB ，由系统直接访问，区与区之间的转换通过控制线的方式来实现 。如下图所示为系统扩展128 KB程序存储空间（264 KB）示意 图。P1.0输出高电平，访问A芯片；P1.0输出低

13、电平，访问B芯片。硬件电路图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 Flash RAM)。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。 引脚符号的含义和功能如下：D7D0：双向三态数据总线；A0Ai：地址输入线i=10（6116芯片），i=12

14、（6264芯片）， i=14（62256芯片）；（ ）：片选信号输入端，低电平有效；CS2 ：片选信号输入端，高电平有效（仅6264芯片有）；：读选通信号输入线，低电平有效；：写选通信号输入线，低电平有效；Vcc ：电源+5V；GND ：地。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 控 制，扩展数据存储器的读、写控制线用 、 分别控制存储器芯片的 和 ；（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

15、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-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， 接RAM的 、 接RAM的 ，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。硬件电路图例题 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：ORG 1000HMOV R0, #50H ; 数据指针指向片内50H单元MOV R7, #16 ; 待传送数据个数送计数寄存器MOV DPTR, #0000H ; 数据指针指向数据存储器6264的0000H单元 AGAIN: MOV A, R0 ; 片内待输出的数据送累加器AMOVX DPTR, A ; 数据输出至数据存储器6264INC R0 INC DPTR ; 修改数据指针DJNZ R7, AGAIN ; 判断数据是