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1、第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展,4.1 系统扩展概述 4.2 常用扩展器件简介 4.3 存储器的扩展 4.4 I/O扩展,4.1.1 最小应用系统单片机最小应用系统是在简单的应用场合，以最简便的电路就可以满足其要求，它只需要一片单片机芯片再配上时钟电路和复位电路即可构成。 结构简单，价格便宜，使用非常方便。,4.1 系统扩展概述,8051/8751片内驻留4KB的掩膜ROM /EPROM，在构成最小应用系统时，只要加上复位电路、时钟电路、EA引脚接高电平，即可通电工作。（程序及原始数据占用程序存储器空间少）,8031最小应用系统 8031片内无驻留ROM，所以必须扩展程序存储器，常选
2、用EPROM芯片。在扩展程序存储器时，还必须接上地址锁存器。EA接地。,4.1.2 单片机扩展系统结构 MCS51单片机扩展系统包括ROM、RAM和I/O接口电路等，通过总线把各扩展部件与单片机连接起来，如图所示。,系统总线及总线构造 1系统总线：分地址总线、数据总线、控制总线三组。 （1）地址总线(Address Bus，简写AB)：输出地址信号，以选择存储单元和I/O端口。地址总线的数目决定着可直接访问的存储单元的数目。,（2）数据总线(Data Bus，简写DB)：8位双向，用于在单片机与存储器、I/O端口之间相互传递数据。 （3）控制总线(Control Bus，简写CB)：是一组控制
3、信号线，对于任意某一根是单向的，可以输入到单片机，也从单片机输出，因此也称为准双向总线。 2总线构造 （1）P0口：分时作低8位地址线（A7A0）/数据线。 （2）P2口：作高8位地址线（A15A8）。有时只用部分构成部分地址线和片选信号。,（3）控制信号 ALE：地址锁存的选通信号，输出，高电平有效; PSEN：程序存储器的读选通信号，输出，低电平有效； EA：片外程序存储器的选择信号，输入，低电平有效； RD：扩展数据存储器和I/O端口的读选通信号，输出，低电平有效； WR：扩展数据存储器和I/O端口的写选通信号，输出，低电平有效。,3 译码器与片选方法 产生片选信号有两种方法：线选法和译
4、码法。 线选法：线选法是将剩余的高位地址线中的一位地址线直接(或经过反相器)加到存储器芯片的片选端的方法。 译码法：又分部分译码法和全译码法。部分译码法是将余下的高位地址线部分经译码器后作为存储器芯片的片选信号线；全译码法是将余下的高位地址线全部进行译码产生存储器的片选信号。 线选法和部分部分译码法会产生地址空间重叠现象。 全译码法可以消除地址空间重叠现象。 空间地址重叠现象就是指多个地址映射一个单元的现象。,在译码电路中常用的译码器芯片有74LS139（双2-4译码器）和74LS138（3-8译码器）等。 （1）74LS139译码器,74LS139译码器引脚图,74LS139译码器真值表,（
5、2）74LS138译码器,74LS138译码器引脚图,74LS138译码器真值表,上述必须保证使能E3、E2、E1分别为1、0、0，若为其他组合，输出均为1。,4.1.3 单片机系统扩展的内容与方法1单片机的三总线结构,图4.2 MCS51单片机的三总线结构形式,2系统扩展的内容与方法(1) 系统的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(如定时器/计数器、键盘/显示器、中断优先级编码器等)。,(2) 系统扩展的基本方法：一般来讲，所有与计算机扩展连接芯片的外部引脚线都可以归属为三总线结构。扩展连接的一般方法实际上
6、是三总线对接。要保证单片机和扩展芯片协调一致地工作，即要共同满足其工作时序。,4.2 常用扩展器件简介,表4.1 常用的扩展器件,表4.1 常用的扩展器件,4.2.1 8D锁存器74LS373,图4.3 74LS373结构示意图,图4.4 74LS373用作地址锁存器,4.2.2 74LS244和74LS245芯片总线趋动器,图4.5 74LS244内部逻辑与引脚图,图4.6 74LS245内部逻辑与引脚图,图4.7 总线驱动器的连接图 (a) P2外接74LS244； (b) P0外接74LS245,DIR=1时，输出允许，DIR=0时，输入允许。,1G和2G接地。,4.3 存储器的扩展,4
7、.3.1 存储器扩展概述1MCS-51单片机的扩展能力根据MCS-51单片机总线宽度(16位)，在片外可扩展的存储器最大容量为64 KB，地址为0000HFFFFH。因为MCS-51单片机对片外程序存储器和数据存储器的操作使用不同的指令和控制信号，所以允许两者的地址空间重叠，故片外可扩展的程序存储器与数据存储器分别为64 KB。,为了配置外围设备而需要扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，即占据相同的地址空间。因此，片外数据存储器连同I/O口一起总的扩展容量是64 KB。,2扩展的一般方法存储器除按读写特性不同区分为程序存储器和数据存储器。因此，存储器芯片有多种。即使是同一种类的存储器芯片，
8、容量的不同，其引脚数目也不同。尽管如此，存储器芯片与单片机扩展连接具有共同的规律。不论何种存储器芯片，其引脚都呈三总线结构，与单片机连接都是三总线对接。另外，电源线应接对应的电源线上。,存储器芯片的控制线： 对于程序存储器，一般来说，具有读操作控制线(OE)，它与单片机的PSEN信号线相连。 除此之外，对于EPROM芯片还有编程脉冲输入线(PRG)、编程状态线(READY/BUSY)。 PRG应与单片机在编程方式下的编程脉冲输出线相接。 READY/BUSY在单片机查询输入/输出方式下，与一根I/O口线相接；在单片机中断工作方式下，与一个外部中断信号输入线相接。,存储器芯片的数据线：数据线的数
9、目由芯片的字长决定。1位字长的芯片数据线有一根；4位字长的芯片数据线有4根；8位字长的芯片数据线有8根；存储器芯片的数据线与单片机的数据总线(P0.0P0.7)按由低位到高位的顺序顺次相接。,存储器芯片的地址线：地址线的数目由芯片的容量决定。容量(Q)与地址线数目(N)满足关系式：Q=2N。存储器芯片的地址线与单片机的地址总线(A0A15)按由低位到高位的顺序顺次相接。 一般来说，存储器芯片的地址线数目总是少于单片机地址总线的数目，如此相接后，单片机的高位地址线总有剩余。剩余地址线一般作为译码线，译码输出与存储器芯片的片选信号线相接。,存储器芯片有一根或几根片选信号线。对存储器芯片访问时，片选
10、信号必须有效，即选中存储器芯片。片选信号线与单片机系统的译码输出相接后，就决定了存储器芯片的地址范围。因此，单片机的剩余高位地址线的译码及译码输出与存储器芯片的片选信号线的连接，是存储器扩展连接的关键问题。,(1) 部分译码：所谓部分译码就是存储器芯片的地址线与单片机系统的地址线顺次相接后，剩余的高位地址线仅用一部分参加译码。部分译码使存储器芯片的地址空间有重叠，造成系统存储器空间的浪费。,图4.9 地址译码关系图,图4.9中与存储器芯片连接的低11位地址线的地址变化范围为全“0“ 全“1“。参加译码的4根地址线的状态是唯一确定的。不参加译码的A15位地址线有两种状态都可以选中该存储器芯片。当
11、A15=0时，占用的地址是：00100000000000000010011111111111，即2000H2FFFH。当A15=1时，占用的地址是：10100000000000001010011111111111，即A000HAFFFH。,同理，若有N条高位地址线不参加译码，则有2N个重叠的地址范围。 重叠的地址范围中真正能存储信息的只有一个，其余仅是占据，因而会造成浪费。这是部分译码的缺点。它的优点是译码电路简单。,(2) 全译码：所谓全译码就是存储器芯片的地址线与单片机系统的地址线顺次相接后，剩余的高位地址线全部参加译码。这种译码方法存储器芯片的地址空间是唯一确定的，但译码电路相对复杂。,
12、这两种译码方法在单片机扩展系统中都有应用。在扩展存储器(包括I/O口)容量不大的情况下，选择部分译码，译码电路简单，可降低成本。,3扩展存储器所需芯片数目的确定若所选存储器芯片字长与单片机字长一致，则只需扩展容量。所需芯片数目按下式确定：,若所选存储器芯片字长与单片机字长不一致，则不仅需扩展容量，还需字扩展。所需芯片数目按下式确定：,4.3.2 程序存储器的扩展,1EPROM芯片,图4.10 常用EPROM芯片的引脚图,2程序存储器扩展举例,1) 不用片外译码器的单片程序存储器的扩展例1 试用EPROM2764构成8031的最小系统。2764是8K8位程序存储器，芯片的地址引脚线有13条，顺次
13、和单片机的地址线A0A12相接。由于不采用地址译码器，所以高3位地址线A13、A14、A15不接，故有23=8个重叠的8 KB地址空间。因只用一片2764，其片选信号CE可直接接地(常有效)。其连接电路如图 4.11所示。,图4.11 2764与8031的扩展连接图,图4.11所示连接电路的8个重叠的地址范围为： 00000000000000000001111111111111，即0000H1FFFH； 00100000000000000011111111111111，即2000H3FFFH； 01000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH； 0110
14、0000000000000111111111111111，即6000H7FFFH； 10000000000000001001111111111111，即8000H9FFFH； 10100000000000001011111111111111，即A000HBFFFH； 11000000000000001101111111111111，即C000HDFFFH； 11100000000000001111111111111111，即E000HFFFFH。,2) 采用线选法的多片程序存储器的扩展,例2 使用两片2764扩展16 KB的程序存储器，采用线选法选中芯片。扩展连接图如图4.12所示。以P2.7
15、作为片选，当P2.7=0时，选中2764(1)；当P2.7=1时，选中2764(2)。因两根线(A13、A14)未用，故两个芯片各有22=4个重叠的地址空间。它们分别为,图4.12 用两片2764 EPROM的扩展连接图,左片：000000000000000000001111111111111，即0000H1FFFH；001000000000000000011111111111111，即2000H3FFFH；010000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH；011000000000000000111111111111111，即6000H7FFFH； 右
16、片：100000000000000001001111111111111，即8000H9FFFH；101000000000000001011111111111111，即A000HBFFFH；110000000000000001101111111111111，即C000HDFFFH； 111000000000000001111111111111111，即E000HFFFFH。,3) 采用地址译码器的多片程序存储器的扩展例3 要求用2764芯片扩展8031的片外程序存储器，分配的地址范围为0000H3FFFH。本例要求的地址空间是唯一确定的，所以要采用全译码方法。由分配的地址范围知：扩展的容量为3FFFH-0000H+1=4000H=16KB，2764为8 K8位，故需要两片。第1片的地址范围应为0000H1FFFH；第2片的地址范围应为2000H3FFFH。由地址范围确定译码器的连接。为此画出译码关系图如下：,
