07 项目7 单片机的系统扩展.pptx

第1页：项目7 单片机的系统扩展封面

项目7「单片机的系统扩展」讲解以单片机为核心的系统扩展结构、程序存储器与数据存储器的扩展方法，以及简单并行I/O口与8155可编程并行I/O口的扩展。

第2页：51单片机的系统扩展结构

7.1 51单片机的系统扩展结构：单片机的系统扩展是以单片机为核心，通过芯片外部总线把一些相应功能的外围器件（ROM、RAM、I/O等）与单片机连接起来，其情形就像各扩展部件「挂」在总线上一样，并且在单片机CPU的控制下通过总线进行数据、地址和信号的传送。

第3页：单片机的系统总线：AB、DB与CB

7.1.1 单片机的系统总线：总线是计算机中传送信息的公共通道，根据传送信息的类型和功能可以分为3组。

地址总线AB

CPU用来传送地址信息的总线，信息传送是单向的；存储容量越大，寻找某个存储单元所需的地址线条数就越多。

数据总线DB

用来传送数据或指令代码，实现CPU与外部设备之间的数据交换，传送是双向的；数据总线的条数与计算机字长相同，MCS-51字长为8位，故数据总线也是8位。

控制总线CB

用于传送各类控制信号，协调单片机与其他外围芯片之间的工作，实现单片机与外部设备之间的信息交换。

第4页：7.1.2 单片机的总线构成

7.1.2 单片机的总线构成：MCS-51单片机以P0口、P2口和若干控制信号构成外部总线，为系统扩展提供地址、数据和控制三类通道。

第5页：P0口、P2口与控制信号的连接

• P0口作为数据总线和低8位地址总线：P0口具有双重功能，既可作为数据线，又可作为低8位地址线
• P2口作为高8位地址总线：P2口的8位地址线加上P0口的低8位地址线，形成完整的16位地址总线，最大寻址范围可达64KB
• 控制信号：ALE为地址锁存信号，用来锁存P0口输出的低8位地址；PSEN为外部程序存储器读选通信号，低电平有效；EA为片内/片外程序存储器的选择端；WR为外部数据存储器写选通信号；RD为外部数据存储器读选通信号

单片机与外部器件数据交换要遵循两个重要原则：一是地址唯一性，一个单元一个地址；二是同一时刻CPU只能访问一个地址，与哪个器件交换数据由地址线控制各器件的片选线来选择，不交换时外部器件处于锁闭状态，对总线呈浮空状态。

第6页：7.2.1 常用程序存储器芯片2764

7.2 存储器的扩展　7.2.1 程序存储器的扩展：（1）常用程序存储器芯片有ROM、EPROM（紫外线擦除型存储器）、E²PROM（电擦除可改写型存储器）以及近年来广泛使用的Flash ROM（快擦写型存储器）等多种类型，下面以2764为例介绍ROM的扩展方法。图7-4为2764的管脚配置图。

• A0～A12：地址信号输入线，说明芯片容量为2^13＝8K
• D0～D7：8位数据线
• CE：片选信号线，低电平有效，为低电平时选中该芯片
• OE：读选通信号线，为低电平时芯片中的数据可以由O0～O7输出
• PGM：编程脉冲输入端，对EPROM编程时由此加入编程脉冲
• Vpp：编程电源；Vcc：主电源

第7页：程序存储器的片选方法：线选法与译码法

（2）程序存储器连接方法　1）地址线的连接：实际应用中扩展的存储器容量都大于256字节，所以除了P0口的8位地址线外，还需要P2口提供若干地址线。芯片的选择决定了存储的地址。

• 扩展一片芯片：芯片的片选端直接接地即可
• 扩展两片以上存储器：片选端应采用专门的片选信号来控制，有 ①线选法：将P2口多余的地址线中的某位与存储器或其他芯片的片选信号端相连；②译码法：使用地址译码器将P2口多余地址线译码输出，作为各芯片的片选信号

第8页：程序存储器数据线与控制线的连接

• 2）数据线的连接：将单片机的P0口直接与程序存储器的8位数据线连接
• 3）控制线的连接：PSEN与程序存储器的读选通信号端直接相连；ALE与地址锁存器的控制端相连；EA在单片机为无程序存储器的8031或只使用外部扩展的程序存储器时直接接地

第9页：例7.1 扩展27128程序存储器

【例7.1】在8031上扩展16KB芯片27128的程序存储器。1）硬件电路：图中给出8031通过地址锁存器74LS373与27128相连、扩展16KB程序存储器的电路连接。

第10页：例7.1 连线说明与地址范围

2）连线说明：

• ①地址线：27128容量为16KB＝2^14，共14条地址线（A0～A13），低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口相连，高6位A8～A13直接与P2口的P2.0～P2.5连接
• ②数据线：27128的数据线（O0～O7）直接与P0口的8位数据线连接
• ③控制线：单片机的ALE与74LS373的使能端G端连接，EA直接接地；27128的OE与单片机的外部程序存储器读选通信号端直接相连；由于只扩展了一片程序存储器芯片，CE直接接地

3）扩展ROM地址范围：芯片地址编码中A15、A14为无关位（可取0或1，通常取0），A13～A00从全0到全1，即整个存储器的地址范围是0000H～3FFFH。

第11页：例7.2 两片2764扩展程序存储器

【例7.2】在8031上采用两片2764扩展16KB的程序存储器。1）硬件电路：图中给出两片2764与8031的连接，片选采用线选法，P2.5为低电平时选中2764（1），P2.5为高电平时经反相器选中2764（2）。

第12页：例7.2 连线说明与两片地址范围

2）连线说明：

• ①地址线：2764容量为8KB＝2^13，共13条地址线（A0～A12），两片芯片的低8位经74LS373与P0口相连，高5位与P2口的P2.0～P2.4连接
• ②数据线：两片2764的数据线直接与P0口的8位数据线连接
• ③控制线：两片2764的读选通信号端与单片机的外部程序存储器读选通信号端相连；采用线选法，P2.5为低电平时选中2764（1），为高电平时经反相器选中2764（2）

3）扩展ROM地址范围：2764（1）地址编码中A15、A14取0、A13为0，范围为0000H～1FFFH；2764（2）地址编码中A15、A14取0、A13为1，范围为2000H～3FFFH。

第13页：数据存储器的扩展与6116芯片

7.2.1 数据存储器的扩展：在单片机应用系统中，作为数据存储器使用的有静态读/写存储器RAM、动态读/写存储器RAM和EEPROM等，静态RAM扩展电路简单、使用方便，因而应用广泛，典型芯片有6116（2K×8）、6264（8K×8）、62256（32K×8）等。

• A0～A10：12根地址信号线，说明芯片容量为2^11＝2K
• O0～O7：8位数据线
• CE：片选信号线，低电平有效，为低电平时选中该芯片
• OE：读选通信号线，为低电平时芯片中的数据可以由O0～O7输出
• WE：写选通信号端，为低电平时可以由O0～O7输入数据到芯片中

（2）数据存储器连接方法：数据存储器的扩展地址与程序存储器一样都是0000H～FFFFH，系统扩展时两者的地址总线和数据总线可并联使用；地址线和数据线的连接方法与程序存储器相同，控制线OE和WE则分别与单片机的RD和WR连接。

第14页：例7.4 两片6116扩展数据存储器

【例7.4】在8031上采用两片6116扩展4KB的数据存储器。1）硬件电路：图中给出两片6116与8031的连接，两片的读、写选通端分别并接，片选由P2.3和P2.4分别控制。

第15页：例7.4 连线说明与地址范围

2）连线说明：

• ①地址线：6116容量为2KB＝2^11，两片芯片的低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口相连，高3位A8～A10直接与P2口的P2.0～P2.2连接
• ②数据线：两片6116的数据线直接与P0口的8位数据线连接
• ③控制线：两片6116的读选通信号端与单片机的外部RAM读选通端相连，写选通信号端与单片机的外部RAM写选通端相连；采用线选法分别由P2.3和P2.4控制

3）扩展RAM地址范围：芯片6116（a）的地址编码为×××1 0……0 到 ×××1 0……1，无关位取0时地址范围是1000H～17FFH；芯片6116（b）的地址编码为×××0 1……0 到 ×××0 1……1，无关位取0时地址范围是0800H～0FFFH。

第16页：7.3.1 简单并行I/O口的扩展

7.3 I/O口的扩展：通常I/O口的扩展有三种方式——并行I/O口扩展、可编程的并行I/O芯片扩展、串行口的I/O口扩展，本节主要介绍前两种。

7.3.1 简单并行I/O口扩展：简单的并行I/O口扩展通常采用普通的TTL电路和CMOS门电路实现，如八线缓冲驱动器74LS244（三态输出）、八总线发送/接收器74LS245、74LS373等。这些芯片一般通过数据总线P0口扩展，具有电路简单、成本低、配置灵活等优点。

74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发、低电平清除，常用作数据锁存器、地址锁存器，与74LS373功能相似。

第17页：例7.5 用244与273扩展I/O口

【例7.5】采用74LS244扩展输入、74LS273作为扩展输出的简单并行I/O口扩展。1）硬件电路：图中给出74LS244接8个开关作输入、74LS273接8个LED作输出，二者数据端均与P0口相连的电路。

第18页：例7.5 连线说明、地址确定与程序

2）连线说明：

• 74LS244作为扩展输入接口，输入8个开关的信息；74LS273作为扩展输出接口，输出控制8个LED；74LS244的数据输出端和74LS273的数据输入端均与单片机的P0口连接
• 输入控制信号由P2.7与RD相「或」后形成，二者同时为0时选通74LS244，外部信息输入到数据总线P0上；无按键闭合时输入全为1，按下某按键则对应口线输入为0
• 输出控制信号由P2.7与WR相「或」后形成，二者同时为0时选通74LS273，P0上的数据锁存到其输出端，某位为低电平时对应的LED发光

3）I/O地址的确定：输入/输出都是在P2.7为0时有效，所以二者的口地址都是7FFFH（此地址不是唯一，只要保证P2.7为0即可）。

4）程序实现（每当接通任一开关时对应的LED发光）：

• LOOP：MOV DPTR，#7FFFH ；数据指针指向扩展I/O口地址
• MOVX A，@DPTR ；从74LS244输入开关状态
• MOVX @DPTR，A ；向74LS273输出数据，驱动LED
• SJMP LOOP ；循环检测

第19页：8155可编程并行I/O口与内部结构

7.3.2 可编程并行I/O口的扩展：除简单扩展方式外，还可以用并行I/O口的可编程芯片进行扩展，这种方式通常采用软件编程的方式来改变和确定I/O口的工作方式及功能，常用的有Intel公司的8155、8255等，它们可以与单片机直接连接，使用十分方便。下面以8155为例介绍。

1）8155内部结构：

• A、B、C三个端口：A、B是8位I/O口，数据传送方向由命令寄存器决定；C口为6位I/O口，通过命令寄存器编程选择
• 控制逻辑部件中有一个控制命令寄存器和一个状态寄存器，8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字确定
• 内部有一个14位的定时/计数器，可用作定时或对外部脉冲计数
• RAM容量为256×8位，由一个静态随机存取存储器和一个地址锁存器组成

第20页：8155的引脚及其功能

2）引脚及其功能特点：

AD0～AD7

地址/数据线，低8位地址和数据复用线；8155内部具有地址锁存器，在ALE下降沿可锁存单片机的地址数据，不需外加373之类的锁存器，可直接接P0口

PA0～PA7、PB0～PB7

A口、B口输入/输出线

PC0～PC5

C口输入/输出线，是6位I/O口，既可作通用数据I/O口，又可作控制口

ALE

地址锁存信号，锁存P0口的地址编码

IO/M

I/O口或RAM选择信号：0选择RAM，1选择I/O及命令状态寄存器和定时/计数器

CE

片选信号，低电平有效

RD、WR

读、写信号选通线，低电平有效，可直接与单片机的RD、WR连接

TIMER IN

内部定时/计数器时钟脉冲输入，一个脉冲使14位定时器当前值减1

TIMER OUT

内部定时/计数器输出，可向外界输出脉冲或者方波信号

RESET

芯片复位信号线

第21页：表 8155的RAM和I/O口地址编码

8155内部共有256个RAM单元，I/O口除A口、B口、C口外还有命令/状态寄存器、定时器高8位和低8位等，要对RAM单元和I/O端口进行访问必须有相应的编码地址，为此8155芯片采用8位地址AD0～AD7对片内RAM和I/O端口分别编址。

说明：源文本中地址位与IO/M选择位粘连在一起，此处按8155标准的低3位端口编码（000～101）与IO/M位对齐还原，建议对照原课件图片核对。

第22页：表 8155的PC口工作方式

8155的PA口和PB口有基本输入/输出和选通输入/输出两种工作方式：前者以无条件的方式进行数据的输入和输出，后者数据的输入和输出受到某些联络信号的控制。PC口有ALT1～ALT4四种工作方式，如下表所示。

第23页：8155命令字的格式及定义

8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的命令字来确定。①命令字的格式及定义：命令字用于设定A口、B口、C口的工作方式（基本I/O或选通I/O）、中断允许以及定时/计数器的启动与停止。

第24页：8155状态字的格式及定义

②状态字的格式及定义：状态寄存器各位为D0～D7，定义如下：

INTR-A（D0）

A口中断请求标志位，1表示请求，0表示未请求。

BF-A（D1）

A口缓冲器满标志位（输入时）、缓冲器空标志位（输出时），1为满，0为空。

INTE-A（D2）

A口中断允许标志位，1为允许，0为禁止。

INTR-B（D3）

B口中断请求标志位，1表示请求，0表示未请求。

BF-B（D4）

B口的缓冲器满/空标志位（输入/输出），1为满，0为空。

INTE-B（D5）

B口中断允许标志位，1为允许，0为禁止。

TIMER（D6）

定时/计数器中断标志位；当达到最终计数值时该位锁定于高电平，并由读命令/状态寄存器操作或开始新的计数过程操作复位至低电平。

第25页：8155定时/计数器与输出方式

6）定时/计数器：8155片内的定时/计数器是一个14位的减法计数器，它对TIN端的时钟脉冲进行计数，并在达到最后计数值（TC）时给出一个方波或脉冲，如图7-17所示。编址为XXXXX100B和XXXXX101B的两个寄存器为计数长度寄存器，计数初值由程序预置，每次预置一个字节。

• 该寄存器的0—13位规定下一次计数的长度，14、15位规定定时/计数器的输出方式
• TIMER IN输入外接脉冲时实现计数功能，输入系统时钟实现定时功能；每输入一个脉冲计数器减1，减到0时TIMER OUT引脚根据M1、M0的设置输出波形

第26页：MCS-51单片机与8155的连接

7）MCS-51单片机和8155的连接：

• AD0～AD7：直接与单片机的P0口连接，作为地址/数据线使用
• ALE：与单片机的ALE连接
• CE：片选信号，用线选法与单片机高8位地址线（P2口）任一位连接
• IO/M：与单片机另外一根未用的高8位地址线连接
• RD、WR：直接与单片机的RD、WR连接

连接的关键接线是CE和IO/M：CE决定本芯片是否被选中，IO/M则决定是对I/O端口操作还是对内部RAM操作。

第27页：例7.6 把立即数写入8155片内RAM

【例7.6】电路如图所示，编程将立即数66H写入到8155片内RAM的20H单元中。

解：分析题意得

• 1）对8155进行操作需选通芯片，所以CE＝0，即P2.7＝0
• 2）对8155片内RAM操作，IO/M＝0，即P2.0＝0；访问8155片内RAM的地址范围是7E00H～7EFFH（设无用位为1）

3）汇编语言程序如下：

• MOV A,#66H ；立即数送A
• MOV DPTR,#7F20H ；指向8155片内RAM的20H单元
• MOVX @DPTR,A ；写入数据到8155片内RAM的20H单元

第28页：例7.7 8155应用要求

【例7.7】电路如图所示，要求：

• 1）读入PB口按键状态，通过PA口的LED显示出来
• 2）设从8155的TIMER IN端输入一计数脉冲，经24分频后由TIMER OUT输出连续方波信号

第29页：例7.7 定时器初值与命令字设置

解：分析题意得

• 1）CE＝0选通8155，IO/M＝1选择I/O口，命令/状态寄存器的地址为7FF8H（设无用位为高电平）
• 2）设定定时器初值和输出方式：输出连续方波，定时器输出方式M2M1＝01；输出脉冲频率为输入脉冲频率的24分频，所以计数长度为24，即初始值为24（18H）。8155定时器两个寄存器的数值分别为——输出方式及计数值高6位：01000000B（40H）；计数值低8位：00011000B（18H）
• 3）PA口为输出，PB口为输入，同时在装入数值后需启动定时器计数，设无用位为0，则命令字为11000001B，即C1H

第30页：例7.7 汇编语言程序

4）汇编语言程序如下：

• ORG 0000H　LJMP MAIN　ORG 0100H
• MAIN: MOV DPTR,#7FFCH ；指向定时器低8位
• MOV A,#18H ；装入计数值低8位
• MOVX @DPTR,A
• MOV DPTR,#7FFDH ；指向定时器高8位
• MOV A,#40H ；装入计数值高6位及输出方式字
• MOVX @DPTR,A
• MOV DPTR,#7FF8H ；DPTR指向命令寄存器
• MOV A,#0C1H ；命令字送A，设定PA输出、PB输入，并启动定时器
• MOVX @DPTR,A ；写入命令字到命令寄存器
• LOOP: MOV DPTR,#7FFAH ；指向PB口
• MOVX A,@DPTR ；读入PB口状态到A中
• MOV DPTR,#7FF9H ；指向PA口
• MOVX @DPTR,A ；A中数据写入PA口中
• SJMP LOOP　END