第四章功能扩展.docx

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第四章功能扩展

第四章89C51的功能扩展

第一节最小应用系统与总线结构

一、单片机最小系统：

使单片机能运行的最少器件构成的系统，就是最小系统。

复位、晶振电路是必须的；如片内无ROM芯片：

如8031必须扩展ROM，现在应用很少，但许多实验箱中都用的8031。

如果片内有ROM芯片，如AT89c51、AT89c52等，构成最小系统时不必扩展ROM，只要有复位、晶振电路即可工作。

右图为89C51的最小系统。

这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

其应用特点是：

（1）全部I/O口线均可供用户使用。

（2）内部有一定容量的程序存储器（AT89C51为4KB，AT89C52为8KB地址空间）。

（3）内部的数据存储容量很小，不宜处理数据较多的情况。

二、89C51单片机的三总线结构

程序存储允许信号输出端

89C51系列单片机片外引脚可以构成如图所示的三总线结构：

地址总线（AB）（P0、P2）

•地址总线（AddressBus,AB）用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和Ｉ／Ｏ端口的选择。

•地址总线是单向的，只能由单片机向外发送信息。

地址总线的数目决定了可直接访问的存储单元的数目。

•例如，n位地址可以产生2ｎ个连续地址编码，因此，可访问2ｎ个存储单元，即通常所说的寻址范围为2ｎ个地址单元。

89C51单片机存储器扩展最多可达64KB，即2１６个地址单元，因此，最多需16位地址。

数据总线（DB）（P0）

•数据总线（DataBus,DB）用于单片机与存储器之间或单片机与Ｉ／Ｏ端口之间传送数据。

•数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。

•例如，89C51单片机是8位字长，所以，数据总线的位数也是8位。

数据总线是双向的，可以进行两个方向的数据传送。

控制总线（CB）

控制总线（ControlBus，CB）是单片机发出的以控制片外ROM、RAM和Ｉ／Ｏ口读／写操作的一组控制线。

外部芯片一般通过这三组总线进行扩展。

三、扩展注意事项：

1、接口驱动能力。

在单片机应用系统中,扩展的三总线上挂接很多负载,如存储器、并行接口、A/D接口、显示接口等,但总线接口的负载能力有限,因此常常需要通过连接总线驱动器进行总线驱动。

总线驱动器对于单片机的I/O口只相当于增加了一个TTL负载,因此驱动器除了对后级电路驱动外,还能对负载的波动变化起隔离作用。

2、电平兼容。

在对TTL负载驱动时,只需考虑驱动电流的大小;在对MOS负载驱动时,MOS负载的输入电流很小,更多地要考虑电平的兼容和分布电容的电流。

一般TTL电平与CMOS电平是不兼容的，CMOS电路能驱动TTL电路，而TTL电路一般不能驱动CMOS电路，在TTL电路和CMOS电路混用的系统中，应特别注意。

第二节扩展中常用的器件介绍

一、锁存器

1、作用：

P0口分时复用时，一定要用锁存器将地址信号锁存起来，才能够达到地址、数据分离、分时复用的目的。

2、常用器件：

74LS373,74LS573,74LS374,8282,8283等

3、74LS373的引脚及控制

74LS373带输出三态门的8D锁存器。

引脚功能：

1D～8D—输入；1Q～8Q—输出；

G－数据锁存控制，D＝1，输入＝输出；由高变低（负跳变），锁存数据；D＝0，锁存数据不变。

－输出允许端，

＝0，三态门开；

＝1，三态门关。

扩展多路时用来选择。

74LS373与74LS573只是引脚布置的不同。

74LS273的11脚G逻辑与以上相反。

正跳变输入数据并锁存，高、低电平锁存保持不变。

二、常用的总线驱动器

作用：

提高驱动能力，改善信号性态。

常用元件：

74LS244、74LS245

74LS244介绍：

74LS244是由8个三态门构成的单向驱动器。

如图：

8个三态门分为两组，由

和

进行控制。

、

－低电平导通，高电平输出为高阻态。

高阻态可以隔离信号，便于总线传输数据。

芯片有20个引脚，如图：

系统总线中地址总线和控制总线是单向的,因此驱动器可以选用单向的,如74LS244。

系统中的数据总线是双向的,其驱动器也要选用双向的,如74LS245。

74LS245也是三态的,有一个方向控制端DIR,DIR=1时输出（An→Bn）,DIR=0时输入（An←Bn）。

第三节

存储器的扩展

存储器扩展分程序存储器扩展和数据存储器扩展。

由于程序存储器扩展在实际应用中已很少使用，故只做简单介绍。

一、扩展的基本原理

1、程序存储器扩展

右图为扩展时基本连接方法。

当

接高电平时，首先执行片内程序存储器中的程序，然后执行片外程序，片内外统一编址；若

接低电平，只执行片外的程序。

为片外程序存储器读选通信号。

必须和被扩展芯片的读选通输入信号线相连。

P0口输入8位数据和输出地址低8位，P2输出地址高8位。

ALE用于锁存低8位地址，在下降沿将低8位地址锁存。

可以看出，尽管89C51单片机有4个Ｉ／Ｏ口，共32条口线，但由于系统扩展的需要，真正能作为数据Ｉ／Ｏ使用的，就只剩下P1口和P3口的部分口线了。

特别需要强调的是，程序存储器不应再采用外扩的方案。

因为89系列单片机内有4～32KB的不同型号产品可供选择。

如果课题需要功能更强的MCU，则可选择ADμC8××、C8051F×××和MAX7651等SOC芯片。

2、数据存储器的扩展

数据存储器的扩展，基本原理与程序存储器相同，也是三总线对接，但数据存储器要对数据进行读和写，扩展外部设备时，也占用的是外部RAM的地址。

因此数据存储器的扩展要比程序存储器复杂。

扩展数据存储器空间地址，由P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和用作8位双向数据总线。

片外数据存储器RAM的读/写由89C51的，ＲＤ（Ｐ３.7）和ＷＲ（P3.6）信号控制。

注意：

在数据存储器扩展时，P2口未用的引脚还可以做它用。

但注意相互影响，不要在写数据时影响未用的端口。

二、常用的存储器芯片介绍

1、EPROM

EPROM是采样电信号写入、紫外线擦除的存储器，专门用紫外线灯擦除，在日光下也可以擦除，长期暴露在室内光线下程序也消失。

因此要将擦除窗口保护起来。

常见的型号：

2732、2764、27128、27256等。

其中27后面的数字代表位容量，如2764为64k位容量，也就是8K字节的容量。

CMOS型加C，如27c128

2、EEPROM和FlashROM（可以存储不常修改的数据）

EEPROM是一种电擦除可编程只读存储器，其主要特点是能在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保持修改的结果。

因而在智能化仪器仪表、控制装置等领域得到普遍采用。

存在的问题是写和擦除较慢。

常用的EEPROM芯片主要有Intel2816A、2864A等。

FlashROM是一种新型的存储器，也叫闪速存储。

型号有AT29010A，AT29020A等。

AT29010A的容量为64K字节。

3、随机存储器RAM

数据存储器一般采用RAM芯片，这种存储器在电源关断后，存储的数据将全部丢失。

（用在运算数据量大的情况）

常用的静态RAM（SRAM），在工业现场常使用ＳＲＡＭ。

常用的型号：

6116、6264、62128、62256等

型号：

6264，前两位数62,表示SRAM，

后两位64÷8=8k字节容量。

引脚功能：

以6264为例，介绍引脚功能。

I/O0－7：

双向数据线，三态输出；

A0～A12：

地址线;

：

片选信号，低电平有效；

CE2：

片选线，高电平有效；

：

读选通信号，输出使能

：

写选通信号，写入使能VCC、GND：

电源

NC：

未使用

还有串行连接的存储器等，在后面讲。

三、采用三总线方式扩展时地址的确定

1、地址确定的方法

对于扩展的芯片，要根据不同的芯片区别对待：

存储器：

芯片都有自己的地址引脚，如6264扩展8K，则芯片地址为A0-A13,低8位直接与P0口由锁存器输出的低8位相连，高位与P2对应位相连。

芯片都有片选，一般P2高位地址中未用完的端口，与片选相连，就确定了该芯片的地址。

其它元件：

如A/D转换等，片内需要的地址很少，一般用低8位就可以满足，地址确定主要取决于地址高8位分配的片选信号。

如用P0驱动8位LED显示，地址作为位码，数据作为段码，该位码的地址从高到低分别为80H、40H、20H、10H、08H、04H、02H、01H，256个地址中只用了8个。

如果还要扩展其它元件，就要用高8位的某一位控制373的输出允许OE,就合成一个完整的16位地址。

在扩展几个芯片时，按高8位中连接方法不同，分线选法和译码法。

2.线选法寻址

如果要扩展几个存储器，用P0和P2口的低几位地址线对每个芯片存储单元统一进行寻址，称为字选。

所需地址线数由每片的存储单元数决定，对于8K×8容量的芯片需要13根地址线A12－A0。

然后将余下的高位地址线分别接到存储芯片的片选端CE，称为线选。

线选法的不足是空间不连续，中间有一部分存储空间无法使用。

如下图所示：

扩展6264，每个只有8K，最多可以扩展8个6264，下面扩展3片6264为例，讲解如何扩展和确定地址（仅作为例子，如果扩展的容量大，可以直接选容量大的芯片，不但便宜，电路也简单，下面例子实际上可以直接用1片32K的62256）

6264

（1）的地址：

C000H-DFFFH,（P2.5=0）

6264

（2）的地址：

A000H-BFFFH,（P2.6=0）

6264（3）的地址：

6000H-7FFFH,（P2.7=0）

可以看出，高8位已经全部应用，只扩展了24K。

3.译码法寻址

译码法寻址就是利用译码器对系统的片外高位地址进行译码,以其译码输出作为存储器芯片的片选信号,将地址划分为连续的地址空间块,避免了地址的间断。

译码法仍用低位地址线对每片内的存储单元进行字选,而高位地址的某几位经过译码器译码后输出作为各芯片的片选信号。

常用的地址译码器是3/8译码器74LS138。

译码法又分为完全译码和部分译码两种。

如上例中用译码法，P2.5、P2.6、P2.7接3/8译码器，则最高3位的地址为000B-111B,就可以扩展8片6264。

注意：

将片外器件（如A/D转换等）扩展时，它的地址是RAM的一个单元地址，和RAM地址连续排列。

四、数据存储器6264的扩展举例

引脚连接说明：

1）数据线D0～n直接从锁存器前连接单片机的P0.0-P0.7;

2）地址线A0～A7从锁存器后连接，地址线A8～A12直接连单片机的P2.0～P2.4口。

3）片选线CE2接高电平，

连P2.7

4）读写线

（R/W）连接读写控制线

。

注意：

扩展时地址经常有形式上的不惟一性，如该电路中6264的8KB地址范围不唯一（由P2.5、P2.6、P2.7确定地址A15A14A13，只要保证P2.7为低电平，P2.5、P2.6如果在电路中无其它用途，则可置任意值）,故地址的高三位是000,010,001,011都是正确的。

当向该片6000H单元写一个数据DATA时,可用如下指令:

MOVA,＃DATA；要写入的数据

MOVDPTR,＃6000H；要写入的地址

MOVX@DPTR,A

从７FFFH单元读一个数据时,可用如下指令:

MOVDPTR,＃7FFFH

MOVXＡ,@DPTR

第四节I/O口的扩展

一、扩展的方法

当89C51应用系统需连接较多的输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），就得扩展。

2、用并行口扩展I/O口

1）用通用器件进行扩展

只要根据“输入三态，输出锁存”与总线相连的原则，选择74LS系列的TTL电路或CMOS电路即能组成简单的扩展I/O口。

例如采用8位三态缓冲器74LS244组成输入口，采用8D锁存器74LS273，74LS373，74LS377等组成输出口。

2）用串行口扩展I/O口

当MCS-51单片机串行口工作在方式0时，使用移位寄存器芯片可以扩展一个或多个8位并行I/O口。

这种方法不会占用片外RAM地址，而且可节省单片机的硬件开销。

缺点是操作速度较慢，扩展芯片越多，速度越慢。

常用的芯片有74LS165、74LS164等。

3）用专用芯片进行扩展

常用芯片如下：

型号

功能

8155/8156

256BRAM、可编程两个8位I/O口、可编程一个6位I/O口、14位定时器

8212

8位I/O口

8251A

可编程通信接口

8253

可编程3个16位定时器

8255A

可编程三个8位I/O口

8279

可编程键盘/显示器接口（64键）

8355

2K×8位ROM、两个通用8位I/O口

8755A

2K×8位EPROM、两个通用8位I/O口

二、通用器件的扩展

根据“输入三态，输出锁存”与总线相连的原则

下图中74LS244作为输入口、74LS273作为输出口，它们都可以通过P0口输入、输出数据。

注意：

由于P0口操作时，按指令相应的

和

有控制信号，在编程时就可以直接用MOVX给一个地址送数据，用其他端口时，就需要给端口送数据。

在74LS273中，

－清除线，低电平输出全为0；

－上升沿输入数据并锁存，高、低输出不变。

控制过程：

1、控制LED，

P2.0=0；

由1变0；“或非门”2输出正跳变，273将单片机输出的信息锁存。

输出低电平LED显示，因为用

锁存P0口的输出，所以LED的显示是由P0口输出的数据而不是地址，地址只要满足P2.0=0；其它地址位（含低8位）随意。

2、读按键输入

Ｐ２.０=0；

=0，“或”门1输出０电平，244的Ｑ＝Ｄ（直通），当

由低变高时，ＣＰＵ读走数据。

当244的

、

为高电平时，Ｑ端输出为高阻态。

注意：

确定地址时，要使P2.0（A8）为0。

其他未用地址可以随意。

三、用串行通信口扩展

1、用串行口扩展输出口

用串行口扩展输出口时，一般用移位寄存器，如74LS164芯片、4094芯片。

74LS164为串入并处的移位寄存器,下图为74LS164的引脚，各引脚功能如下：

Q0-Q7:

并出数据线；

DSA、DSB：

串行输入线，当其中有一个为低电平时输出为0;两个同时为高电平时输出QA为1。

可以同时接串行口的数据输出口RXD，也可以一个用于控制；

CP：

移位脉冲输入口，在脉冲上升沿移位；

：

清零，低电平有效。

例：

用89C51串行口外接164串入－并出移位寄存器扩展8位并行口；8位并行口的每位都接一个发光二极管，要求发光二极管从左到右以一定延迟轮流显示，并不断循环。

设发光二极管为共阴极接法，如图7-17所示。

解：

设数据串行发送采用中断方式，显示的延迟通过调用延迟程序DELAY来实现，延时程序的编写已经讲过。

程序清单：

ORG0000H

AJMP0030H

ORG0023H;串行口中断入口

AJMPSBR;转入串行口中断服务程序

ORG0030H;主程序起始地址

MOVSCON,#00H;串行口方式0初始化

MOVA,#80H;最左一位发光二极管先亮

CLRP1.0;传送数据时不显示

MOVSBUF，A;开始串行输出

LOOP:

SJMP$;等待中断,

SBR:

SETBP1.0;允许显示，数据传送完开始显示

ACALLDELAY;显示延迟一段时间

CLRTI;清发送中断标志

RRA;准备右边一位显示

CLRP1.0;关闭显示

MOVSBUF,A;再一次串行输出

RETI;中断返回

如果将上面指示灯看作七段数码管，一个164可以驱动1个七段数码管LED，N个LED需要N个164。

可以连续将要显示的数据发送完然后显示。

要用串行口扩展并行输入口，用芯片74LS165，也可以用4014芯片。

该部分内容自己看教材相关部分。

四、用专用芯片的扩展

由前面已经知道，用专用芯片，不但可以扩展并行端口，而且还可以扩展定时器/计数器，RAM等。

扩展时很大的特点是可以编程。

本节只用8155芯片介绍扩展方法。

1．8155的结构和技术性能

8155的结构框图。

在8155内部具有：

（1）256字节的静态RAM，存取时间为400ns。

（2）三个通用的输入/输出口。

（3）一个14位的可编程定时/计数器。

（4）地址锁存器及多路转换的地址和数据总线。

（5）单一+5V电源，40脚双列直插式封装。

2、8155的引脚功能

AD0－AD7：

三态地址/数据总线，带地址锁存；

ALE：

地址锁存信号，负跳变（高→低）锁存；

IO/

：

RAM与I/O口的选择线，低电平选择RAM操作，高电平选择I/O口；

：

片选信号，低电平有效；

:

读写控制线；

PA0－PA7：

端口A；

PB0－PB7：

端口B；

PC0－PC5：

端口C；

TIMERIN、TIMEROUT：

定时器/计数器输入输出。

3、8155的寄存器

和单片机相同，可编程器件都是由寄存器控制，编程也就是对寄存器编程。

（1）命令/状态寄存器C/S，该寄存器地址为×××××000B

该寄存器是两个寄存器公用一个地址，（写是命令，读是状态）

命令寄存器：

（见表）

注意：

复位时，命令寄存器被置为00H，端口PA、PB都为输入方式。

状态寄存器：

状态寄存器用于查询当前状态。

读状态寄存器，TIMER自动清零。

（2）PA寄存器，地址：

×××××001B

为PA口寄存器。

（3）PB寄存器，地址：

×××××010B

为PB口寄存器。

（4）定时器低8位寄存器，地址：

×××××100B

定时器高8位寄存器，地址：

×××××101B

（5）PC寄存器地址：

×××××011B

为PC口寄存器，可以由命令寄存器中的PC1、PC2设置PC口为输入寄存器、输出寄存器，也可以PC的6个端口设为PA、PB口的控制线。

第五节中断扩展

1、为什么要扩展中断。

AT89C52单片机有两个外部中断请求输入端（即外部中断0、外部中断1）。

在实际应用中，往往有三个或三个以上的外部事件需要用中断进行处理，这就需要扩展外部中断源。

2、利用查询加中断的方式进行扩展

利用AT89C52的两个外部中断线，每一个中断线可以通过“与”的关系连接多个外部中断源，同时利用AT89C52的I／O端口作为各中断源的识别。

例：

用单片机监测X1，X2，X3三个外部设备在运行过程中是否有故障。

不管哪

一个设备一旦出现故障，必须马上处理，所以采用中断系统来监测这三个外部设备。

当系统无故障时，3个故障源输人端X1～X3全为低电平，对应的3个显示灯全灭；当某个设备出现故障时，其对应的输入端由低电平变为高电平，从而引起AT89C52单片机中断，中断服务程序的任务是判定故障，并点亮对应的发光二极管。

其中，发光二极管LEDl～LED3对应3个输入端X1～X3。

实现上述功能的电路如图所示。

3个故障源X1～X3通过“或非门”与AT89C52单片机的外部中断0输入端相连，同时，X1～X3与PO口的P1．0-P1．2引脚相接，3个发光二极管LEDl～LED3分别与P0口的P1．3～P1．5相接。

主程序如下：

ORG0000H；；主程序的入口地址

AJMPMAIN；跳转到主程序的开始处，

ORG0003H；外部中断0的中断程序入口地址

AJMPSERVE；跳转到中断服务程序处

MAIN：

ORLP1,#OFFH；灯全灭，准备读入

SETBIT0；选择边沿触发方式

SETBEX0；允许INT0中断

SETBEA；CPU开中断

AJMP$；等待中断

中断服务子程序如下：

SERVE：

PUSHPSW；保护规场

PUSHACC

JNBP1.0，L1；若x1无故障，跳到L1

CLRP1.3；点亮LED1

L1：

JNBP1.1，L2；若x2无故障，跳到L2

CLRP1.4；点亮LED2

L2：

JNBP1.2，L3；若x3无故障，跳到L3

CLRP1.5；点亮LED3

L3:

POPACC；恢复现场

POPPSW

RETI

第四节串行扩展总线接口技术

一、概述

1、并行口扩展:

线路复杂，占用资源多，使单片机本来就不多的资源显得很紧张，对于智能仪器，特别是便携式仪器，功耗低，体积小是一个重要的指标。

2、串行总线扩展：

占用MCU的I/O口线少，系统简单，体积小，编程也方便。

。

3、实现方法：

1）、串行口扩展I/O口线；

2）、SPI串行总线扩展；

3）、I2C总线扩展；

4）、单总线扩展。

5）、其它如USB总线等。

扩展应尽量采用串行扩展方案。

通过SPI或I2C总线扩展E2PROM、A/D、D/A、显示器、看门狗、时钟等芯片。

有些单片机已经带有该接口。

4、扩展时的共性问题

1）系统如何找到该器件；

2）如何对扩展的芯片进行控制；

3）通信协议是什么（特别是时序图）；

4）怎样进行读或写。

二、I2C总线扩展

一）概述

1、什么是I2C总线

I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的一种简单、双向二进制同步串行总线，它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发。

2、I2C总线的几个基本概念

1）所有进入I2C总线系统中的设备都带有I2C总线接口，只需将I2C总线上所有节点的串行数据线SDA和时钟线SCL分别与总线的SDA和SCL相连即可。

2）当执行数据传送时，启动数据发送并产生时钟信号的器件称为主器件；被寻址的任何器件都可看作从器件；发送数据到总线上的器件称为发送器；从总线上接收数据的器件称为接收器。

3）I2C总线是多主机总线，可以有两个或更多的能够控制总线的器件与总线连接；同时I2C总线还具有仲裁功能，当一个以上的主器件同时试图控制总线时，只允许一个有效，从而保证数据不被破坏。

4）I2C总线的寻址采用纯软件的寻址方法，无需片选线的连接，这样就简少了总线数量。

3、优点

①总线只有两根线，即串行时钟线SCL和串行数据线SDA。

②同步时钟允许器件以不同的波特率进行通信；总线的长度可高达7m，在标准I2C模式下数据传送率可达100kB／s，高速模式下可达400kB／s。

③它是一个真正的多主总线，带有竞争监测和仲裁电路，多个主机任意发送而不破坏总线上的数据。

下图中单片机有2个，单片机必须有I2C总线接口。

89C51无该接口，只能用于单主扩展。

④支持带电插拔，并有众多的外围接口芯片；并且能够以10Kb/s的最大传输速率支持40个组件。

4、I2C器件类型及用途

常用的12C总线外围通用器件有：

SRAM，EEPROM，ADC／DAC，I／O口，实时时钟芯片RTC等。

外围设备模块有LED驱动控制器构成的LED显示器，各种LCD驱动控制器