单片机系统扩展技术

第六章单片机系统扩展技术6-1单片机系统扩展的基本概念6-2程序存储器扩展技术6-3数据存储扩展6-4输入/输出口扩展6-1MCS-51单片机系统扩展的基本概念单片机在一块芯片上集成了计算机的主要硬件资源。因此，在智能仪器仪表，小型检测及控制系统中，往往直接采用单片机构成最小应用系统而不再扩展外围芯片。但是，在许多情况下，例如构造一个机电测控系统时，考虑到传感器接口，伺服控制接口以及人机对话接口等需要，最小应用系统不能满足系统功能要求，必须在片外扩展相应的外围芯片，这就是单片机系统扩展。单片机系统扩展一般包括程序存储器(ROM或EPROM)扩展、数据存储器(RAM)扩展、输入/输出口(I/O)扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展等。6-1-1MCS-51单片机最小应用系统介绍两种类型芯片构成的最小应用系统。1．8051/8751最小应用系统8051/8751是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，用这种芯片构成的最小应用系统结构简单，工作可靠。8051/8751最小应用系统:2．8031最小应用系统8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。右图为用8031外接程序存储器构成的最小系统。6-1-2MCS-51单片机的外部扩展性能1.MCS-51单片机的片外总线结构单片机都是通过片外引脚进行系统扩展的。为了满足系统扩展的要求，MSC-51系列单片机片外引脚可以构成如图6-3所示的三总线结构,即地址总线(AB),数据总线(DB)和控制总线(CB)。所有外部芯片都通过这三组总线进行扩展。XTAL1XTAL2TXDRXDVccVss地址锁存器8A15-A88A7-A08D7-D0P2P0ALERDWRPSENINT0INT1T0T1EARST(AB)(DB)(CB)2．MSC-51单片机的系统扩展能力为配置外围设备而扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，系统不再提供另外的地址线。当系统要大量配置外围设备以及要扩展较多的I/O口时，将占去大量的RAM地址。当应用系统存储扩展容量或扩展I/O口地址超过单片机地址总线范围时，可采用换体法解决。如图所示。6-2程序存储器扩展技术6-2-1EPROM：可擦除PROM用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的PN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。作为MCS-51单片机的外部程序存储器，其典型产品有2716（2K*8）、2732（4K*8）、2764（8K*8）…27512（64K*8）等。图6-2-1给出了双列直插式封装的EPROM芯片的管脚配置图。图中Ai(i=0,1,2,…,15)为地址线,O0～O7为数据线，为片选线，为数据输出选通线，Vpp为编程电源，Vcc为主电源，PGM为编程脉冲输入。CEOE介绍两种不同的程序存储器扩展电路：EPROM、EEPROM。28引脚EPROM芯片管脚配置2764AEPROM扩展电路2764A是一种8K×8位EPROM，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出最大时间为250ns，28脚双列直插封装。其扩展电路示于图6-6。若要同时扩展两片2764A，只需将P2.5经一非门接至第二片2764A的片选端，其它引脚与第一片2764A同名引脚相连即可。2764EPROM扩展电路P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0A12A11A10A9A8EAP0.7D7Q7A7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D6D5D4D3D2D1D0Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0A6A5A4A3A2A1A0ALEPSENOEO7O6O5O4O3O2O1O080312764A74LS373+5VVccPGMVppGNDCE6-2-2EEPROM扩展电路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。常用的EEPROM芯片主要有Intel2817A、2864A等。1.2817AEEPROM扩展2817A存储容量为2K×8位，采用单一+5V电源供电，最大工作电流为150mA，维持电流55mA，读出时间最大为250ns。由于片内设有编程可需的高压脉冲产生电路，因而无需外加编程脉冲即可工作。2817A为28脚双列直插封装,管脚配置如图6-8。图中A0~A10为地址线,O0～O7为数据线，为片选线，为输出使能，为写入使能，RDY/为状态指示CEOEBUSYWE2817A管脚配置图6-9给出了2817A与8031单片机的硬件连接图。图中，采用了将外部数据存储器空间与程序存储器空间合并的方法，即将信号与信号相“与”，其输出作为单一的公共存储器读选通信号。这样，8031即可对2817A进行读写了。图中8031采用查询方式对2817A的写操作进行管理。PSENRD2817AEEPROM扩展电路6-3数据存储器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。下面着重介绍静态RAM的扩展。6-3-1静态RAM扩展电路常用的静态RAM芯片有6116，6264，62256等，其管脚配置如图6-13所示。常用静态RAM芯片管脚配置6264静态RAM扩展6264是8K×8位静态随机存储器芯片，CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200MW，典型存取时间200ns，28脚双列直插式封装。与6116相比，地址线增加两根，为A0~A12，且有两个片选端和CE2。表6-1给出了6264的操作方式。1CEI/O0~I/O7(11~13,15~19)高阻高阻高阻DoutDinDin管脚（20）CE2（26）（22）（27）未选中（掉电）1XXX选中（掉电）X0XX输出禁止0111读0101写0110写01001CEOEWE方式6264静态RAM扩展电路P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0A12A11A10A9A8EAP0.7D7Q7A7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D6D5D4D3D2D1D0Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0A6A5A4A3A2A1A0ALERDOEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O08031626474LS373+5VVccGNDWEP2.7WRCE1CE26-4输入/输出口扩展技术6-4-1简单I/O口扩展1.用并行I/O口扩展I/O口当要扩展多个输入/输出口时，可采用图6-4-2所示连接方法。右图给出了一种简单的输入、输出口扩展电路。P0.7D7Q7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D6D5D4D3D2D1D0Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0RD803174LS273WRQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS244D7D6D5D4D3D2D1D0+5VCLK=1000=1000P2.7GLOOP：MOVDPTR，#07FFFHMOVXA，@DPTRMOVX@DPTR，ASJMPLOOP2.用串行口扩展I/O口图6-22和图6-23分别给出了利用串行口扩展2个8位并行输入口（使用74LS165）和扩展2个8位并行输出口（使用74LS165）的接口电路。利用串行口扩展并行输入口利用串行口扩展并行输出口根据该扩展电路(图6-22)，以两个8位并行口读入20H组字节数据，并把它们转存到内部RAM数据区（设首址为30H）的程序清单如下：PIOIN：MOVR7，#20H；读入字节组数MOVR0#30H；设置内部RAM数据区首址SETBF0；设置读入字节奇偶标志，第1个8位数为偶RCV0：CLRP1.0；165置入数据SETBP1.0；允许165串行移位RCVI：MOVSCON，#00010000B；串行口设定为方式0，允许接收并启动接收过程STP：JNBRI，STP；等待接收一个8位数CLRRI；清RI标志，以备下次接收MOVA，SBUF；读入数据MOV@R0,A；数据送存INCR0；指向数据区下一个地址CPLF0；指向第奇数个8位数JNBF0，RCV1；如未读完奇数个8位数转RCV1DJNZR7，RCV0；20H组数未读完重新进行置入……；对数据进行处理6-4-2可编程I/O口扩展1.8155的结构和技术性能在8155内部具有：—256字节的静态RAM，存取时间为400ns；—有三个通用的输入/输出口。其中A口和B口是8位口，C口是6位口。C口可做状态口，这时，A口和B口能在应答式的输入/输出方式下工作；—有一个14位的可编程定时/计数器；—内部有地址锁存器及多路转换的地址和数据总线；—单一+5V电源，40脚双列直插式封装。8155的结构框图2.8155的RAM和I/O地址编码表6-38155口地址分布AD7~AD0选中寄存器A7A6A5A4A3A2A1A0XXXXX000命令/状态寄存器XXXXX001PA口XXXXX010PB口XXXXX011PC口XXXXX100定时/计数器低8位XXXXX101定时/计数器高8位3.8155的工作方式与基本操作8155可作为I/O口、片外256字节数据存储器及定时器使用。（1）作片外256字节RAM使用。此时8155的IO/脚应置为低电平，其RAM地址的高8位由片选线决定，低8位为00H~0FFH。与应用系统中其它数据存储器统一编址。使用的读/写操作指令为MOVX。M命令控制字的格式如图所示:3.8155的工作方式与基本操作8155可作为I/O口、片外256字节数据存储器及定时器使用。（2）作扩展I/O口使用。此时8155的IO/脚必须置为高电平，PA、PB、PC口的口地址的低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0）。I/O口的工作方式的选择完全依靠对8155命令寄存器设定的命令控制字来实现。而I/O口状态的查询可通过对8155状态寄存器的操作来完成。命令/状态寄存器共用一个口地址，写入为命令，读出为状态。M命令控制字的格式如图所示:ASTBASTBBSTB方式位ALT1ALT2ALT3ALT4PC0输入方式输出方式AINTR（PA口中断）AINTR(PA口中断)PC1ABFPA口缓冲器满）ABF(PA口缓冲器满)PC2（PA口选通）(PA口选通)PC3输出方式BINTR(PB口中断)PC4BBF(PB口缓冲器满)PC5(PB口选通)备注PA口、PB口为基本I/O口PA口、PB口为基本I/O口PA口为选通输入方式PB口为基本I/O口PA、PB口为选通输入/输出方式C口工作方式如表:状态字格式如图所示:（3）作定时器使用8155的定时器由两个8位寄存器组成。实际上是一个14位的减法计数器，另两位用于确定输出方式。其低位字节的I/O地址为×××××100B，高位字节的I/O地址为×××××101B，其格式如图6-27所示。8155定时器格式及输出方式定时器的操作分两步:第一步由写入命令寄存器的控制字确定定时器的启动、停止或装入常数（见命令控制字）。第二步由写入到定时器的两个寄存器的内容确定计数长度和输出方式。4.MCS-51单片机与8155的接口与操作MCS-51单片机可直接和8155连接而不需要任何外加逻辑，可以直接为系统增加256字节外部RAM、22根I/O线及一个14位定时器。其基本硬件连接方法如下图所示。按图中连接状态的地址编码为：RAM地址：7E00H~7EFFHI/O口地址：命令/状态口7F00HPA口7F01HPB口7F02HPC口7F03H定时器低8位7F04H定时器高8位7F05H例如，设8155PA口为基本输入口，PB口为基本输出口，PC口为输出口，定时器作方波发生器，对输入脉冲进行24分频。要求从PA口读入数据存入8155的5FH单元，PA口数据取反后从PB口输出，屏蔽高两位后再从PC口输出。则8155的操作如下：MOVDPTR，#7F04H；指向定时器低8位MOVA，#18H；计数常数18H=24MOVX@DPTR，