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1、5.1 概述 5.2 系统总线扩展 5.3 存储器的扩展 5.4 I/O的扩展与应用 5.5 LED数码显示器 5.6 键盘接口 5.7 A/D转换器 5.8 D/A转换器 本章小结 习题,采用MCS-51系列单片机构成的最小系统仅适用于一些较简单的应用场合，完成简单的控制器或者小型检测控制单元等。当应用系统复杂时，单片机片内所具有的功能部件就不能满足应用系统的要求，这就要求设计者必须在单片机的片外连接一些其他功能的外围芯片来满足系统要求，这就是系统的扩展。系统扩展按外围芯片的功能可分为存储器扩展、输入/输出接口的扩展、A/D转换器和D/A转换器的扩展、键盘和显示电路的扩展等；按系统总线的连接
2、方式可分为并行扩展法和串行扩展法。,5.1 概 述,单片微机系统总线扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是指利用单片机本身具备的三组总线(AB、DB、CB)进行的系统扩展，并行扩展法应用较为广泛。近年来，由于集成电路设计、工艺和结构的发展，串行扩展法也得到了很快的发展，它利用SPI三线总线和I2C双线总线进行系统扩展。甚至有的单片机应用系统可能同时采用并行扩展方法和串行扩展方法。,5.2 系统总线扩展,5.2.1 并行总线扩展 MCS-51系列单片机的并行总线扩展法通常采用三总线结构，如图5.1所示，即地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)。系统扩展中，外部芯片通过
3、这三组总线与单片机连接。,图5.1 51系列单片机三总线结构图,1地址总线(AB) MCS-51系列单片机的地址总线宽度为16位，可寻址范围达64 KB。其低8位地址A0A7由P0口提供，高8位地址A8A15由P2口提供。由于P0口既作为地址总线的低8位，又作为8位数据总线，时分复用，因此系统扩展时必须将低8位地址先锁存起来，与P2口输出的高8位地址共同组成16位地址，然后通过P0口对指向片外地址区的数据单元进行读/写操作。注意，P0口输出的低8位地址一般采用74LS373一类的锁存器或者8D触发器进行锁存，而P2口具有输出锁存功能，不需外加锁存器。,单片机地址锁存信号ALE与锁存器的锁存控制
4、信号端连接。在ALE的低电平期间(对于锁存器控制信号端，低电平有效)，将P0口输出的地址A0A7锁存，此后P0口上出现的是数据，而74LS373的输出是低8位地址，实现了地址低8位和数据线的分离。P0、P2口在系统扩展中用作地址线，因此不能作为一般I/O口使用。,2数据总线(DB) 数据总线由P0口提供，用D0D7表示。P0口为三态双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。系统扩展时，单片机与外部扩展芯片之间的数据交换基本上都是通过P0口传送的。 多个扩展的外围芯片都并联在数据线上，单片机与外设芯片进行数据交换时，同一时刻有且仅有一个数据传送通道是有效的，即单片机仅与扩展芯片中的一个进行数据交换
5、，哪个有效则是由地址线控制各个芯片的片选线和控制信号来共同选择的。,3控制总线(CB) 系统扩展时，外部芯片的选通是由控制总线、外围芯片的片外选通信号或者控制总线与片外选通信号共同决定的。系统扩展采用的控制线有ALE、 、 、 、 。 ALE：用于隔离P0 口上输出的地址与数据信号，作为锁存P0口输出的低8位地址的控制线。一般情况下，采用ALE信号的下降沿控制锁存器来锁存地址数据，因此常选择下降沿选通的锁存器作为低8位地址锁存器。 ：为输出信号，用于读片外程序存储器(EPROM)中的数据。“读”取EPROM中数据(指令)时，不能用 信号，而只能用 信号。,：为输出信号，用于选择片内或片外程序存
6、储器。当 =0时，只访问外部程序存储器。当 =1时，先访问内部程序存储器，内部程序存储器全部访问完之后，再访问外部程序存储器。 、 ：为输出信号，用于片外数据存储器(RAM)的读、写控制。当执行片外数据存储器操作指令MOVX时，自动生成 、 控制信号。 总之，系统扩展中外围芯片一般都通过三总线结构与单片机进行连接，而总线的驱动能力是有限的，因此系统扩展中需要考虑加装总线驱动器来提高总线的驱动能力。目前常用的总线驱动器有两种，即单向驱动器74LS244和双向驱动器74LS245，在后续章节将详细介绍。,5.2.2 串行总线扩展 串行扩展是单片机系统扩展的另外一种方法，它利用三线总线或双线总线进行
7、系统扩展，即外围扩展芯片不像并行扩展那样需要数据线、地址线和控制线等，而通过三条或者两条总线将外围芯片与单片机连接，数据交换采用时钟时序与数据线配合的方式进行，对扩展的功能芯片采用地址码识别。采用串行总线扩展方式能够缩小单片机及外围芯片的体积，降低价格，简化互连线路，是系统扩展发展的新趋势。,近年来，制造商先后推出了专用于串行数据传输的各类器件和接口，其中SPI(Serial PeriPheral Interface)总线和I2C( Intel IC)总线等已获得广泛应用。这两种串行总线将在本书第6章进行详细介绍，此处不再赘述。,5.2.3 编址技术 编址问题是系统扩展的一个核心问题。所谓编址
8、，就是通过对地址线进行组合给外部设备I/O口、存储器单元以及外部扩展的其他外围功能芯片等分配一个合适地址，每个地址和设备、存储单元都是一一对应的。 编址技术有两种方法：一种是寻址到该存储单元或外部设备I/O口单元所在的芯片，称为“片选”法；另一种是通过芯片本身所具有的地址线进行译码，确定唯一的存储单元或I/O口，称为“字选”法。 “片选”法保证每次读或写时，CPU只选中某一个存储器芯片或I/O端口芯片。常用的方法有线选法和译码法。,1. 线选法 所谓线选法，是指直接以系统的最高几位空余地址线中的一条作为存储器芯片或I/O接口芯片的片选控制信号。采用线选法时，一般用高位地址线作片选信号，用低位地
9、址线作片内存储单元寻址。线选法编址的优点是简单，不需要另外增加译码电路，成本低；其缺点是会浪费大量的存储空间，因此只适用于存储容量较小的小规模单片机系统。,2. 译码法 所谓译码法，是指使用地址译码器对系统的片外地址进行译码，以译码器输出作为存储器芯片的片选信号。译码法是一种最常用的存储器编址方法，能有效地利用存储空间，适用于大容量多芯片存储器的扩展。译码电路除采用一般的门电路译码器外，更多地则采用译码器芯片。常用的译码器芯片有：74LS138(3-8译码器)和74LS154(4-16译码器)等。 近年来，随着可编程逻辑器件PLD的发展，有些复杂的系统也采用PLD器件进行译码，例如PSD834
10、F2，该芯片不但具有PLD逻辑电路的编码、译码功能，而且内部还具有FLASH功能。,译码法又分为完全译码和部分译码两种。 (1) 完全译码：地址译码器使用了全部地址线，地址与存储单元一一对应，即一个存储单元只占用一个唯一的地址。 (2) 部分译码：地址译码器仅使用了部分地址线，地址与存储单元不是一一对应，而是一个存储单元占用了几个地址。1条地址线不接，一个单元占用2(21)个地址；2条地址线不接，一个单元占用4(22)个地址；3条地址线不接，则占用8(23)个地址；以此类推。,使用部分译码将会大量浪费存储单元，使存储器的实际容量降低。对于要求存储器容量较大的单片微机系统来说，建议不采用。但是对
11、于单片机系统来讲，由于实际需要的存储器容量往往低于所能提供的存储容量，而部分译码可简化译码电路，因此采用较多。 在设计地址译码器电路时，采用地址译码关系图将会带来很大方便。所谓地址译码关系图，是一种用符号表示全部地址译码关系的示意图，如图5.2所示。,图5.2 地址译码关系图,上述标“”的部分为片内译码，其地址变化范围为全“0”到全“1”；标“”的位为空闲，不接任何地址线，只要有1个或1个以上的“”，即为部分译码，该位为0或1均表示有效地址。显然，若只有1位不接，那么每个单元占用21=2个地址号；若有2位不接，则每个单元占用22=4个地址号；以此类推。实际使用时，为方便使用，往往取数值最小或最
12、大的一组地址。“0”表示该位为“0”有效，“1”表示该位为“1”有效。,从上述的地址译码关系图上可以获得如下信息： (1) 本系统所采用的是全译码还是部分译码； (2) 系统所采用片内译码线和片外译码线各占用的地址线条数； (3) 系统所占用的全部地址范围。 例如，上述关系图中有1个“”(A15为空)，表示部分译码，每个单元占用2个地址。片内译码线有11条(A10A0)，片外译码线有4条。其所占用的地址范围如下： 当A15为0时，所占用的地址为00100000000000000010011111111111，即2000H27FFH。 当A15为1时，所占用的地址为101000000000000
13、01010011111111111，即A000HA7FFH，共占用了两组地址，这两组地址在使用中同样有效。,5.3.1 存储器扩展概述 MCS-51系列单片机具有64 KB的程序存储器空间，其中51型子系列芯片内含有4 KB的ROM，52型子系列芯片内含有8 KB的ROM，而8031单片机则无片内ROM。当采用上述系列单片机进行系统设计时，若片内ROM的容量不能满足要求，则需要进行系统程序存储器的扩展。 MCS-51系列单片机的RAM与ROM的地址空间是互相独立的，其片外RAM的空间可达64 KB，而片内RAM的空间只有128 B或者256 B。如果设计中片内的RAM不够用，则同样需要进行RA
14、M的扩展。,5.3 存储器的扩展,5.3.2 程序存储器的扩展 随着半导体技术的高速发展，芯片的存储空间和价格已经发生了很大变化，大容量芯片的价格不断降低，甚至反而比小容量芯片的价格还低。这就促使应用系统设计中，尽可能选择单片大容量存储器芯片，以避免存储器的扩展，从而减少印制板面积，降低开发成本。 显然，在系统设计中，ROM的扩展已经是不必要的工作。但是作为系统扩展的基础知识，从培养学生基本能力的角度来讲，还是有必要作一简要介绍的。,1. 程序存储器扩展时的连接方式 程序存储器与单片机的一般连接方式如图5.3所示，单片机的P0口与存储器的数据输出口相连，同时P0口经地址锁存器连到存储器的低8位
15、地址线(A7A0)，P2口接存储器的高8位地址线。这种接法意味着可扩展的存储器容量最大可达64 KB。当存储器的容量小于64 KB时，只用到部分高位地址线。 为片外程序存储器读选择端，此引脚接地时单片机的所有片内程序存储器无效，只能访问片外程序存储器。 是单片机外部程序存储器读选通信号，将它接到存储器的 端。,图5.3 程序存储器与单片机的一般连接方式,2扩展片外程序存储器的硬件电路 单片机最小系统常用74LS373作为锁存器。74LS273、74HC573、Intel 8282芯片也可用作地址锁存器，其中74LS373、74HC573使用最多，且都是DIP20封装，制作印刷电路板较为方便。7
16、4LS373和74HC573用作锁存器时的引脚连接电路如图5.4所示。,图5.4 74LS373与74HC573锁存器的引脚结构图,在系统程序存储器的扩展中，用EPROM作为单片机片外ROM是目前最常用的ROM扩展方法。常用的EPROM扩展芯片有：2716(2 KB8)、2732(4 KB8)、2764(8 KB8)、 27128(16 KB8)、27256(32 KB8)、27512(64 KB8)等。通常仅需扩展一片或两片EPROM芯片就可以满足系统要求。下面图5.5为几种典型常见EPROM芯片的封装图和引脚图。,图5.5 典型常用EPROM芯片的引脚图,图5.5中，引脚符号表示意义如下： (1) A15A0：地址线。 (2) Q7Q0：双向三态数据线。 (3) ：片选信号输入线，低电平有效。 (4) ：选通信号输入线，低电平有效，与读出控制信号相连。 (5) NC：空端未用。 (6) VPP：编程电压端。 (7) VCC：+5 V电源。 (8) GND：接地端。 (9) ：编程脉冲端。,
