第四章功能扩展.docx

1、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

2、）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(Address Bus,AB)用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和端口的选择。 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2个连续地址编码，因此，可访问2个存储单元，即通常所说的寻址范围为2个地址单元。89C51单片机存储器扩展最多可达64 KB，即2个地址单元，因此，最多需16位地址。 数据总线（DB）

3、（P0） 数据总线(Data Bus,DB)用于单片机与存储器之间或单片机与端口之间传送数据。 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(Control Bus，CB)是单片机发出的以控制片外ROM、RAM和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

4、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

5、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：1D8D输入；1Q8Q输出；G数据锁存控制，D1，输入输出；由高变低（负跳变），锁存数据；D0，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、74LS24574L

6、S244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(AnBn), DIR=0时输入(AnBn)。 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

7、、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个口，共32条口线，但由于系统扩展的需要，真正能作为数据使用的，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432 KB的不同型号产品可供选择。如果课题需

8、要功能更强的MCU，则可选择ADC8、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，（.7）和(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、EPROMEPRO

9、M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27c1282、EEPROM和Flash ROM（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Intel

10、2816A、2864A等。Flash ROM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。常用的型号：6116、6264、62128、62256等型号：6264， 前两位数62,表示SRAM ， 后两位648=8k字节容量。引脚功能：以6264为例，介绍引脚功能。I/O 07：双向数据线，三态输出；A0A12：地址线;：片选信号，低电平有效；CE2：片选线，

11、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

12、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8K8 容量的芯片需要13 根地址线A12A0。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

13、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

14、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 D0n直接从锁存器前连接单片机的P0.0-P0.7; 2)地址线 A

15、0A7从锁存器后连接，地址线 A8A12直接连单片机的P2.0P2.4口。3)片选线 CE2接高电平，连P2.74) 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8 KB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: MOV A, DATA ；要写入的数据 MOV DPTR, 6000H ；要写入的地址 MOV

16、X DPTR, A 从FFFH单元读一个数据时, 可用如下指令: MOV DPTR, 7FFFH MOVX , 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

17、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8155/8156256BRAM、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82128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）83552K8位ROM、两个通用8位I/O口8755A2K8位EPROM、两个通用8位I/O

18、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；

19、其它地址位（含低8位）随意。2、读按键输入.=0； =0， “或”门1输出电平，244的（直通），当由低变高时，读走数据。当244的、为高电平时，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

20、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：ORG 0000HAJMP 0030HORG 0023H ;串行口中断入口AJMP SBR ;转入串行口中断服务程序ORG 0030H ;主程序起始地址MOV SCON ,#00H;串行口方式0初始化MOV A ,#80H

21、;最左一位发光二极管先亮CLR P1.0 ; 传送数据时不显示MOV SBUF，A ;开始串行输出LOOP : SJMP $ ;等待中断, SBR : SETB P1.0 ;允许显示，数据传送完开始显示ACALL DELAY ;显示延迟一段时间CLR TI ;清发送中断标志RR A ;准备右边一位显示CLR P1.0 ;关闭显示MOV SBUF , 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

22、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。 18155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AD0AD7：三态地址/数 据总线，带地址锁存；ALE：地址锁存信号，负跳变（高低）锁存；IO/：

23、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；PA0PA7：端口A；PB0PB7：端口B；PC0PC5：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0 0 0 B 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

24、清零。 (2) PA寄存器，地址：0 0 1 B 为PA口寄存器。 (3) PB寄存器，地址：0 1 0 B 为PB口寄存器。 (4) 定时器低8位寄存器，地址：1 0 0 B 定时器高8位寄存器，地址：1 0 1 B（5） PC寄存器 地址：0 1 1 B 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

25、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IO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X1X3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LEDlLED3对应3个输入端X1X3。实现上述

26、功能的电路如图所示。3个故障源X1X3通过“或非门”与AT89C52单片机的外部中断0输入端相连，同时，X1X3与PO口的P10-P12引脚相接，3个发光二极管LEDlLED3分别与P0口的P13P15相接。主程序如下： ORG 0000H； ；主程序的入口地址 AJMP MAIN ；跳转到主程序的开始处， ORG 0003H ；外部中断0的中断程序入口地址AJMP SERVE ；跳转到中断服务程序处MAIN：ORL P1,#OFFH ；灯全灭，准备读入 SETB IT0 ；选择边沿触发方式 SETB EX0 ；允许INT0中断 SETB EA ；CPU开中断AJMP $ ；等待中断 中断服务

27、子程序如下： SERVE：PUSH PSW ；保护规场 PUSH ACC JNB P1.0，L1 ；若x1无故障，跳到L1 CLR P1.3 ；点亮LED1 L1： JNB P1.1，L2 ；若x2无故障，跳到L2 CLR P1.4 ；点亮LED2 L2：JNB P1.2，L3 ；若x3无故障，跳到L3 CLR P1.5 ；点亮LED3 L3: POP ACC ；恢复现场 POP PSW 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M

28、CU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(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的一种简单

29、、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

30、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 总线只有两根线，即串行时钟线SCL和串行数据线SDA。 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100kBs，高速模式下可达400kBs。 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。 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，ADCDAC， IO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