單片微機原理及應用：第4章 MCS-51系列單片機的擴展

1、2022/7/181第4章 MCS-51系列單片機的擴展1 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展 2 數(shù)據(jù)存儲器擴展 2022/7/1821 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展MCS-51系列單片機雖本身是一個微型計算機，包含了CPU，存儲器，I/O接口，定時器，中斷，串行口，但由于其功能有限，所以在工作時，還需要進行必要的功能擴展。在單片機本身的I/O口電路中，只有數(shù)據(jù)鎖存和緩沖功能，而沒有狀態(tài)寄存和命令寄存功能，難以滿足復雜的I/O操作要求。因此，往往需要外部存儲器及接口芯片的擴展。為了使單片機能方便地與各種擴展芯片連接，常將單片機的外部總線連接為一般的微型計算機三總線結(jié)構(gòu)形式。對于MCS51系列單片機，三

2、總線由下列通道口的引線組成。MCS51系列單片機的三總線結(jié)構(gòu) (1) 地址總線 由P2口提供高8位地址線 ，低8位地址線由P0口與地址鎖存器提供。 (2) 數(shù)據(jù)總線 由P0口提供。 (3) 控制總線 擴展系統(tǒng)時常用的控制信號如下所述。 ALE地址鎖存信號，用以實現(xiàn)對低8位地址的鎖存。高電平有效。 片外程序存儲器讀選通信號。 片外數(shù)據(jù)存儲器讀信號。 片外數(shù)據(jù)存儲器寫信號。PSENRDWR2022/7/1851 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展由于是地址、數(shù)據(jù)復用口，因而對低位地址需要用鎖存。常用的地址鎖存器有74LS373、74LS374等。OE使能端，接地當G=“1”時，74LS373輸出端1Q8Q

3、與輸入端1D8D相同；當G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 D0D7 數(shù)據(jù)輸入端OE 三態(tài)允許控制端CLK 時鐘輸入端Q0 Q7 輸出端2022/7/1861 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展由于端口帶負載能力有限（P08個LSTTL，P1P3 為4個LSTTL），故常加總線驅(qū)動器（注意：無鎖存功能）常用的有74LS244（單向），74LS245（雙向）DIR=0時數(shù)據(jù)由B到A（輸入允許）。送進CPU; DIR=1時數(shù)據(jù)由A到B（輸出允許）經(jīng)驅(qū)動器向外輸出。2022/7/1871 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展1-1最小系統(tǒng) 8031片內(nèi)無程序存儲器，8031+片外程序存儲器+地址鎖存器構(gòu)成一個真正可用的、

4、未曾擴展的最小系統(tǒng)。片外程序存儲器地址鎖存器80312022/7/1881 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展在設計系統(tǒng)時有時會用到多片EPROM。例如需要8k程序存儲器,當只提供2732(4k)時，要用2片2732；需要超過64k的程序存儲器時，一般也用多片實現(xiàn)。存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。所謂編址就是給存儲單元分配地址。由于存儲體通常由多片芯片組成，為此存儲器的編址分為兩個部分來考慮：即存儲器芯片的選擇和存儲器芯片內(nèi)部存儲單元的選擇。實際應用時往往需根據(jù)具體情況采用不同的擴展方法。下面就介紹一下MCS51單片機應用系統(tǒng)中常用的擴展方法。1-2用多片EPROM擴展程序存儲器1) 不采用片

5、外譯碼的單片程序存儲器的擴展 圖為8051單片機與EPROM 2764的連接圖，圖中經(jīng)74LS 373輸出的是EPROM 2764所需的低8位地址，EPROM 2764的高5位地址由8051的P2.0P2.4實現(xiàn)。EPROM 2764的地址范圍是0000H1FFFH。 這種方法常常用于系統(tǒng)中只有一片程序存儲器擴展的情況。2764的地址范圍：高3位地址變化范圍 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 低8位地址變化范圍：P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P

6、0.3 P0.2 P0.1 P0.0 00000000000000000001111111111111，即0000H1FFFH；00100000000000000011111111111111，即2000H3FFFH；01000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH；01100000000000000111111111111111，即6000H7FFFH；10000000000000001001111111111111，即8000H9FFFH；10100000000000001011111111111111，即A000HBFFFH；11000000000

7、000001101111111111111，即C000HDFFFH；11100000000000001111111111111111，即E000HFFFFH。其8個重疊的地址范圍為如下：EPROM2764是一種典型的紫外線可擦除ROM。該芯片為雙列直插式28引腳的標準芯片，容量為8KB8位。在MCS51單片機中常用于擴展程序存儲器。EPROM2764的引腳如圖5.3所示。其引腳功能如下：A12A013位地址線，地址線的引腳數(shù)目由芯片的存儲容量來定；Q7Q08位數(shù)據(jù)引腳； 片選信號，低電平有效； 輸出允許信號，當有效時，輸出緩沖器打開，被尋址單元的內(nèi)容才能被讀出； 編程允許信號，低電平有效； 編

8、程電源。當芯片編程時，該端加上編程電壓(+25V或+12V)；正常使用時，該端加+5V電源。圖5.3 EPROM2764的引腳EPROM2764簡介2022/7/18131 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展二片情況，如圖用鄰近各芯片所用的最高位的一根地址線作片選，其余一樣，這種方法最常用在0000H1FFFH時為低8K，此時P2.5為0，訪問第1片。在2000H3FFFH時為高8K，此時P2.5為1，訪問第2片。P2.6P2.5P2.4P2.0ALE8031PSENEAGP2.774LS373OEA0A7A8A12CED0D7OE2764(1)A0A7A8A12CE2764(2)D0D7OEP058

9、8885885練習：請大家計算訪問第一片、第二片的地址范圍？假設沒用到的地址線為低電平 2) 采用線選法的多片程序存儲器的擴展 下圖為采用線選法存儲器擴展電路。擴展電路使用3片EPROM 2764擴展24KB的外部程序存儲器。圖中采用P2.7(A15)、P2.6(A14)、P2.5(A13)三根地址線分別連接3#、2#、1# EPROM 2764芯片的片選信號端。采用線選法選中3個芯片。當P2.7(A15)、P2.6(A14)、P2.5(A13)分別為低電平時，選中各自對應芯片。該擴展電路的各存儲器地址分別為什么？圖5.6 線選法存儲器擴展這種方法常常用于系統(tǒng)中有多片程序存儲器擴展，且要求譯碼

10、電路簡單或盡量不用地址譯碼器的情況。缺點是存儲器的地址不連續(xù)。需在編程中用跳轉(zhuǎn)指令實現(xiàn)跨區(qū)運行程序。 (1) 1#：C000HDFFFH。 (2) 2#：A000HBFFFH。 (3) 3#：6000H7FFFH。2022/7/18181 最小系統(tǒng)與程序存儲器的擴展線選法：在連接多片時，有時用線選法，即用I/O線或控制線作片選（這種方法用線多，不常用）如擴展4片2732，2732有4K，用了12根地址線，故P2口用了P2。0P2。3，見圖由于片選線不是地址譯碼產(chǎn)生，在選通時要人為控制：即在1片結(jié)束訪問第2片時，要用軟件復位相應端口，否則將出錯 3) 采用地址譯碼器的多片程序存儲器的擴展 下圖所

11、示為譯碼法存儲器擴展電路。擴展電路采用74LS138譯碼器實現(xiàn)地址譯碼。該程序存儲器的地址為13位。P0口確定低8位地址，P2口確定高5位地址。根據(jù)138譯碼器的控制端可知地址線與各片2764芯片的對應的關(guān)系如下表示。圖5.7 譯碼法存儲器擴展2022/7/182038譯碼器 74LS1381234567891011121314151674LS138ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0Vcc 74LS138引腳圖C B A Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y01 0 00 0 01 1 1 1 1 1 1 01 0 00 0 11 1 1 1 1 1 0 11

12、 0 00 1 01 1 1 1 1 0 1 11 0 00 1 11 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 11 0 01 1 01 0 1 1 1 1 1 11 0 01 1 10 1 1 1 1 1 1 1其它狀態(tài) 1 1 1 1 1 1 1 1G1 G2A G2BP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.01#2764000XXXXXXXXXXXXX2#2764001XXXXXXXXXXXXXA15A14A13A12A

13、11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0由此可知，這個擴展電路的兩片2764存儲器的地址分別為：(1) 1#芯片的地址譯碼的范圍是0000H1FFFH。(2) 2#芯片的地址譯碼的范圍是2000H3FFFH。這種方法的特點是存儲體地址連續(xù)。在系統(tǒng)及成本允許的條件下，建議使用這種程序存儲器擴展方式。表5-1 地址線與各片2764芯片的對應的關(guān)系2022/7/18222 MCS-51單片機數(shù)據(jù)存儲器擴展 常用靜態(tài)存貯器 2114 1K*4 6116 2K*8 2716 6264 8K*8 2764 62256 32K*8 27256 IS61LV5128 512K*8 IS61LV128

14、16 128K*16 擴展數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相比，最主要區(qū)別是，程序存儲器用PSEN控制程序存儲器的讀寫，而數(shù)據(jù)存儲器則用RD、 WR信號控制讀寫。從實現(xiàn)方面，訪問程序存儲器，1是自動執(zhí)行程序，2是用MOVC指令，而訪問數(shù)據(jù)存儲器則是用MOVX指令。2-1 概述2022/7/18232 MCS-51單片機數(shù)據(jù)存儲器擴展 單片機引腳的三總線形式擴展數(shù)據(jù)存儲器2022/7/18242 MCS-51單片機數(shù)據(jù)存儲器擴展 硬件連接框圖(單片情況)三、數(shù)據(jù)存儲器的擴展 MCS51系列單片機內(nèi)有128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器，它們可以作為工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器使用，MCS51單片機對內(nèi)部

15、RAM具有豐富的操作指令。對大多數(shù)控制性應用場合，內(nèi)部RAM已能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲器的要求。對需要大容量數(shù)據(jù)緩存器的應用系統(tǒng)，如語音錄入回放系統(tǒng)中采樣數(shù)據(jù)容量很大，就需要在單片機外部擴展大容量的數(shù)據(jù)存儲器才能滿足應用要求。數(shù)據(jù)存儲器用于存儲現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)、運算結(jié)果等，所以外部數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容需要能夠隨機讀出或?qū)懭?，通常采用半導體靜態(tài)隨機存取存儲器RAM電路。目前，單片機系統(tǒng)常用的RAM電路有6116(2KB)、6264(8KB)、62128(16KB)。下圖所示為常用數(shù)據(jù)存儲器的引腳圖，引腳符號功能如下：1. 常用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器芯片準備工作確定擴展存儲器需求:多大容量,地址范圍有無特殊要求

16、,數(shù)據(jù)位數(shù)多少?有哪些存儲器芯片可供選擇,每片的容量如何?用單片還是多片實現(xiàn)?圖5.8 常用數(shù)據(jù)存儲器的引腳圖引腳功能：AiA0地址線，i=10(6116)，i=12(6264)；I/O7I/O08位數(shù)據(jù)線； 片選信號，低電平有效； 數(shù)據(jù)輸出允許信號，當有效時，輸出緩沖器打開，被尋址單元的內(nèi)容才能被讀出； 寫信號，低電平有效。？KB？KBMCS51單片機訪問數(shù)據(jù)存儲器擴展的常用控制信號如下所述：ALE地址鎖存信號，用以實現(xiàn)對低8位地址的鎖存；MCS51單片機擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器讀/寫數(shù)據(jù)時，主要考慮如何將所用的控制信號ALE、WR、RD信號及地址線與數(shù)據(jù)存儲器的連接問題。在擴展一片外RAM時，

17、應將引腳與RAM芯片的引腳連接，引腳與芯片引腳連接。ALE信號的作用與外擴程序存儲器的作用相同，即鎖存低8位地址。下圖所示為用RAM 6116芯片擴展2KB數(shù)據(jù)存儲器電路。圖中RAM 6116芯片的8位數(shù)據(jù)線接MCS51單片機的P0口，圖中RAM 6116芯片的A0A10接MCS51單片機擴展的地址線A0A10。圖中RAM 6116芯片的片選信號接地。數(shù)據(jù)存儲器的地址可以為0000H07FFH，也可以是0800H0FFFH等多塊空間。如果系統(tǒng)中有多片RAM 6116芯片，則各個芯片的片選信號需接譯碼器的輸出端。片外數(shù)據(jù)存儲器寫信號；片外數(shù)據(jù)存儲器讀信號。2. 訪問數(shù)據(jù)存儲器常用控制信號3. 數(shù)

18、據(jù)存儲器一般的擴展方法 6116芯片擴展2KB數(shù)據(jù)存儲器P2.7為低電平0，兩片6264芯片的地址空間為：第一片：010000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH；第二片：001000000000000000011111111111111，即2000H3FFFH；P2.7為高電平1，兩片6264芯片的地址空間為：第一片：110000000000000001101111111111111，即C000HDFFFH；第二片：101000000000000001011111111111111，即A000HBFFFH；P2.6P2.5P2.4P2.0ALE805

19、1RDEAGP2.774LS373OEA0A7A8A12CE1D0D7OE6264(1)A0A7A8A12CE16264(2)D0D7OEP058885885WRWEWE88CE2CE2當系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器硬件擴展電路設計完成后，往往需要驗證是否正確。常用的驗證方法為將某些數(shù)據(jù)寫入存儲單元，然后讀出并與寫入的數(shù)據(jù)進行比較。如果一致，則表明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器硬件擴展正確。具體的驗證程序如下： MOV DPTR，#ADRI ;ADRI為某單元地址 MOV A，#DATA ;DATA為驗證數(shù)據(jù) MOVX DPTR ，A ;寫驗證數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) MOVX A，DPTR ;讀驗證數(shù)據(jù) XRL A，#DATA ;驗

20、證數(shù)據(jù)比較 異或操作 JNZ EROOR ;正確 EROOR： ;錯誤4. 數(shù)據(jù)存儲器擴展的調(diào)試方法擴展例子2022/7/18322 數(shù)據(jù)存儲器擴展 例子中6264(1)和2764(1)容量為8k，地址范圍為：P2.5 P2.4 P2.3 p2.0 p0.7 p0.6 p0.1 p0.0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1即0000H1FFFH6264(2)和2764(2)容量為8k，地址范圍為：P2.5 P2.4 P2.3 p2.0 p0.7 p0.6 p0.1 p0.0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1即2000H3FFFH某些控制系統(tǒng)，由于實時控制的需要，系統(tǒng)既需要擴展程序存儲器，又需要同時擴展數(shù)據(jù)存儲器，此時，可采用線選法或譯碼法，將數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器等同看待，但注意CPU對數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的控制信號不同，所以數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址可以重疊。下圖所示為綜合存儲器擴展連接圖，該系統(tǒng)既包含數(shù)據(jù)存儲器6264的擴展，又包含程序存儲器2764的擴展，兩種芯片的控制信號不同：數(shù)據(jù)存儲器6264可讀可寫，程序存儲器276