MCS-51系统功能的扩展

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1、第5章 MCS-51系统功能的扩展,系统扩展概述 程序存储器的扩展,本讲主要内容： 单片机系统扩展的基本概念 单片机片外总线结构 程序存储器的扩展,系统扩展概述,1. 最小应用系统,(a) 8051/8751最小系统结构图；(b) 8031最小系统结构图,图5.1 MCS51单片机最小化系统,2、单片机系统扩展的基本概念：,3、单片机片外总线结构,4、三总线的扩展方法,P0口数据总线和 地址低8位线 P2口地址高8位线 地址、数据分立电路,数据地址分离电路的实现,5、MCS51-单片机的系统扩展能力,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（64KB）。 外部数据存储器的扩展（

2、64KB） 。 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)。,二、程序存储器的扩展,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

3、、片外程序存储器的操作时序,3、程序存储器的扩展,常用的程序存储器：EPROM EEPROM Flash ROM. EPROM的扩展 2716 ； 2732； 2764 等,例1 试用一片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，顺次和单片机的地址线A0A12相接。 数据线的连接：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,图 2764与8031的扩展连接图,问题的提出？,图所示连接电路的8

4、个重叠的地址范围为 00000000000000000001111111111111，即0000H1FFFH； 00100000000000000011111111111111，即2000H3FFFH； 01000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH； 01100000000000000111111111111111，即6000H7FFFH； 10000000000000001001111111111111，即8000H9FFFH； 10100000000000001011111111111111，即A000HBFFFH； 11000000000000

5、001101111111111111，即C000HDFFFH； 11100000000000001111111111111111，即E000HFFFFH。,存储器芯片的地址线：地址线的数目由芯片的容量决定。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

6、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。,问题分析,(1) 部分译码（线选法）：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。参加译码的地址线对于选中某一存储器芯片有一个确定的状态，而与不参加译码的地址线无关。也可以说，只要参加译码的地址线处于对某一存储器芯片的选中状态，不参加译码的地址线的任意状态都可以选中该芯片。正因如此，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。,4、地址译码,图 地址译码关系图,图中与存储器芯片连接的低11位地址线的地

7、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

8、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。（通常用74LS138） 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。,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。要求：以P2.7作为片选，当P2.7=0时，选中2764(1)；当P2.7=1时，选中2764(2)。,图 用两片2764 EPROM的扩展连接图，分析地址重叠空间,左片：000000000000000000001111111111111，即0

9、000H1FFFH； 001000000000000000011111111111111，即2000H3FFFH； 010000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH； 011000000000000000111111111111111，即6000H7FFFH； 右片：100000000000000001001111111111111，即8000H9FFFH； 101000000000000001011111111111111，即A000HBFFFH； 110000000000000001101111111111111，即C000HDFFFH； 1110

10、00000000000001111111111111111，即E000HFFFFH。,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=16 KB，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：,3-8译码器74LS138,图 74LS138引脚图,全译码、两片2764 EPROM的扩展连接图,5扩展存

11、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：,本 节 内 容,数据存储器的扩展 重点掌握： 51单片机访问外部存储器时的波形 数据存储器的扩展设计（三总线）,一、RAM简介,常用静态RAM,内部构造（6264为例）,引脚描述,RAM的操作时序,RAM的操作时序,二、单片机外部存储器操作时序,三、数据存储器的扩展,地址总线 数据总线 控制总线,例题：用RAM芯片6264扩展8051单片机系统，地址从0000H单元开始,例题：采用2764和626

12、4芯片在8031片外分别扩展24 KB程序存储器和数据存储器。,8051系列单片微机的外部串行总线主要包括：SPI （Serial PeriPheral Interface）三线总线和I2C两线制总线两种。 SPI三线总线结构 SPI三线总线结构是一个同步外围接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信。一个完整的SPI系统有如下的特 性： 全双工、三线同步传送； 主、从机工作方式； 可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位； 发送完成中断标志； 写冲突保护标志。 在大多数场合，使用一个MCU作为主机，控制数据向一个或多个从机（外围器件）的传送。一般SPI系统使用四个I/O引脚：,四、外部串

13、行扩展原理,串行数据线（MISO、MOSI） 主机输入从机输出数据线（MISO）和主机输出从机输入数据线（MOSI），用于串行数据的发送和接收。数据发送时先传送MSB（高位），后传送LSB（低位）。 在SPI设置为主机方式时，MISO线是从机数据输入线，MOSI是主机数据输出线；在SPI设置为从机方式时，MISO线是从机数据输出线，MOSI是从机数据输入线。,串行时钟线（SCLK） 串行时钟线（SCLK）用于同步从MISO和MOSI引脚输入和输出数据的传送。在SPI设置为主机方式时SCLK为输出；在SPI设置为从机方式时，SCLK为输入。 通过SPI可以扩展各种I/O功能，包括：AD、DA、实

14、时时钟、RAM、EEPROM及并行输入输出接口等。,I2C总线 使用两根信号线（SDA和SCL）串行的方法进行信息传送，并允许若干兼容器件共享的双线总线，称为12C总线。 SDA：称为串行数据线，用于传输双向的数据。 SCL：称为串行时钟线，用于传输时钟信号，在传输时用来同步串行数据线上的数据。,串行数据SDA 和串行时钟SCL 线在连接到总线的器件间传递信息每个器件都有一个唯一的地址识别无论是微控制器、LCD驱动器、存储器或键盘接口。而且都可以作为一个发送器或接收器，由器件的功能决定，很明显LCD驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外，器件在执行数据传

15、输时，也可以被看作是主机或从机， 主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件，此时任何被寻址的器件都被认为是从机。,传输数据的过程如下：,1、总体特征,SDA 和SCL 都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压， 当总线空闲时这两条线路都是高电平。I2C 总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s， 在快速模式下可达400kbit/s， 在高速模式下可达3.4Mbit/s,2、协议 I2C总线，只有二根信号线：一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。在 I2C总线上传送的一个数据字节由八位组成。总线对每次传送的字节数没有限制，但每个字节后必须

16、跟一位应答位。数据传送首先传送最高位(MSB)。 在一次数据传输中，一个设备扮演临时主控器，开始在它和一个有单一地址设备（从控器）之间的传输。主控器为数据传输产生时钟信号。规范中要求数据线（SDA，串行数据线）只有在时钟（SCL，串行时钟线）处于低平时才能变化。,3、总线的一次典型工作流程如下：,1）首先由主机发出启动信号“S”(SDA在SCL 高电平期间由高电平跳变为低电平)，,2）然后由主机发送一个字节的数据。启动信号后的第一个字节数据具有特殊含义：高七位是从机的地址，第八位是传送方向位，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)。被寻址到的从机设备按传送方向位设置为对应工作方式。标准I2C总线的设备都有一个七位地址，所有连接在I2C总线上的设备都接收启动信号后的第一个字节，并将接收到的地址与自己的地址进行比较。,3）如果地址相符则为主机要寻访的从机，应在第九位答时钟脉冲时向SDA线送出低电平作为应答。,