第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

單片原理及接口（第2版）清華大學(xué)出版社

主編：陳忠平曹巧媛曹琳琳徐剛強(qiáng)劉瓊第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

8.1并行擴(kuò)展總線線譯碼法就是直接將系統(tǒng)的高位地址線連到所擴(kuò)展芯片的片選端，作為其片選信號(hào)，一根地址線對(duì)應(yīng)一個(gè)片選。

全譯碼法是將片內(nèi)選址后剩余的高位地址通過譯碼器進(jìn)行譯碼，譯碼后的輸出產(chǎn)生片選信號(hào)，每一種輸出作為一個(gè)片選。

部分地址譯碼法是將高位剩余的地址一部分進(jìn)行譯碼，另一部分則懸空暫時(shí)不用。

8.1.1并行擴(kuò)展總線方法8.1.2地址譯碼方法8.1.3總線驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，P1、P2、P3只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門電路。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模較大，超過其負(fù)載能力時(shí)，系統(tǒng)將不能穩(wěn)定地進(jìn)行工作，需加總線驅(qū)動(dòng)。地址總線和控制總線的驅(qū)動(dòng)器為單向、三態(tài)輸出、一個(gè)控制端，常用的驅(qū)動(dòng)器有74LS240、74LS241和74LS244；數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)器為雙向、三態(tài)輸出、兩個(gè)控制端，常用的驅(qū)動(dòng)器有74LS245等。

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1.SPI串行總線具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）三線同步；（2）全雙工操作；（3）主從方式；

（4）有4種可編程時(shí)鐘速率

（5）具有可編程極性和相位的串行時(shí)鐘；（6）有傳送結(jié)束中斷標(biāo)志、寫沖突出錯(cuò)標(biāo)志、總線沖突出錯(cuò)標(biāo)志。

2．SPI串行總線的接口電路及工作原理8.2串行總線擴(kuò)展8.2.1

SPI總線SPI總線接口的典型電路

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SPI數(shù)據(jù)的交換

3．時(shí)鐘相位和極性

CPHA為0時(shí)傳送格式

CPHA為1時(shí)傳送格式

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4．SPI的應(yīng)用（1）自帶SPI接口的單片機(jī)擴(kuò)展并行I/O端口（2）SPI串行總線在STC89系列單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)

使用不具有SPI接口功能的STC89系列單片機(jī)時(shí)，那么只能通過軟件來模擬SPI操作。假設(shè)P1.5模擬SPI的數(shù)據(jù)輸出端MOSI，P1.7模擬SPI的SCK輸出端，P1.4模擬SPI的從機(jī)選擇端/SS，P1.6模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端MISO。若外圍器件在SCK的下降沿接收數(shù)據(jù)，上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)P1.7口初始值設(shè)為0，允許接口后P1.7設(shè)為1。單片機(jī)在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)，接口芯片串行左移，使輸出1位數(shù)據(jù)到單片機(jī)的P1.6口，即模擬了MISO，此后再置P1.7為0，使STC89C51單片機(jī)從P1.5（模擬MOSI）輸出1位數(shù)據(jù)到串行接口芯片。這樣模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出完成。然后，再將P1.7置1，模擬下1位數(shù)據(jù)輸入輸出……，依次循環(huán)8次，完成8位數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鳌?/p>

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1．MicroWire總線引腳

MicroWire總線由串行數(shù)據(jù)輸出線（SO）、串行數(shù)據(jù)輸入線（SI）和串行時(shí)鐘線（SK）組成8.2.2

MicroWire總線2．MicroWire總線系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

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1．I2C總線的特點(diǎn)有2條線，一條SDA串行數(shù)據(jù)線，一條SCL串行時(shí)鐘線。它采用“純軟件”的尋址方法，以減少連線數(shù)目。可工作在主/從方式。

I2C是一種真正的多主串行總線，多主器件競爭總線時(shí)，時(shí)鐘同步和總線仲裁都由硬件自動(dòng)完成。串行數(shù)據(jù)在主從之間可以雙向傳輸；其傳輸速率在不同的模式下各不相同

數(shù)據(jù)總線上的毛刺波由芯片上的濾波器濾去，確保數(shù)據(jù)的完整性。同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線相配合產(chǎn)生可以作為啟動(dòng)、應(yīng)答、停止或重啟動(dòng)串行發(fā)送的握手信號(hào)。連接到同一總線的I2C器件數(shù)只受總線的最大電容400pF限制。

8.2.3

I2C總線2．I2C總線的接口電路及工作原（1）I2C的接口電路

I2C設(shè)備與I2C總線的接口電路

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（2）工作過程在數(shù)據(jù)傳輸中，主設(shè)備為數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。要求SDA數(shù)據(jù)線只有在SCL串行時(shí)鐘處于低平時(shí)才能變化?？偩€的一次典型工作過程如下：①開始表明開始傳輸信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；②地址主設(shè)備發(fā)送地址信息，包含7位的從設(shè)備地址和1位的指示位；③數(shù)據(jù)根據(jù)指示位，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸。數(shù)據(jù)一般以8位傳輸，接收器上用一位ACK（回答信號(hào)）表明每一個(gè)字節(jié)都收到了。傳輸可以被終止或重新開始；④停止信號(hào)結(jié)束傳輸，由主設(shè)備產(chǎn)生。

主/從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多主式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

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3．I2C信號(hào)時(shí)序分析（1）SDA與SCL的時(shí)序關(guān)系

（2）起始與停止信號(hào)

（3）應(yīng)答信號(hào)ACK（Acknowledgement）和非應(yīng)答信號(hào)/ACK

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（4）數(shù)據(jù)傳輸

（5）時(shí)鐘同步（6）仲裁第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

1．SMBus串行總線的特點(diǎn)（1）兩線；（2）雙向，可工作在主/從方式，一個(gè)總線上可以有多個(gè)主器件，通過“與”的邏輯來提供總線仲裁；（3）電壓范圍3~5V，設(shè)備可由VDD或自身電源供電，總線上不同器件的工作電壓可以不同。

8.2.4

SMBus總線2．SMBus串行總線工作原理（1）工作原理

（2）數(shù)據(jù)的傳輸

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（3）總線仲裁若有兩個(gè)或多個(gè)主器件同一時(shí)刻產(chǎn)生起始條件時(shí)，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)的主器件可能不知道其他主器件想占用總線，當(dāng)SCL為高時(shí)，將在SDA線上產(chǎn)生沖突，所以使用總線仲裁迫使一個(gè)主器件放棄總線，變?yōu)閺钠骷?，等待另一個(gè)主器件數(shù)據(jù)傳輸完之后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。沒有放棄總線的主器件繼續(xù)發(fā)送起始條件，直到其中一個(gè)主器件發(fā)送高電平，而其他主器件在SDA上發(fā)送低電平。這樣就要求在每一個(gè)總線發(fā)送周期內(nèi)都要監(jiān)視SDA線的工作狀態(tài)。（4）時(shí)鐘①時(shí)鐘低電平的擴(kuò)展：在數(shù)據(jù)傳輸期間可以采取低電平的擴(kuò)展，從器件可以保持SCL為低電平以擴(kuò)展時(shí)鐘低電平時(shí)間。②SCL低電平超時(shí)：若保持低電平的時(shí)間超過25ms則認(rèn)為SCL低電平超時(shí)，檢測(cè)到超時(shí)條件的器件必須在10ms時(shí)間內(nèi)復(fù)位，進(jìn)行通信。③SCL高電平超時(shí)：如果一個(gè)器件的SCL和SDL為高電平的時(shí)間超過50μs，則認(rèn)為總線處于空閑狀態(tài)，可以發(fā)送起始條件。（5）工作方式①主發(fā)送器方式：SDA線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，SCL線上輸出串行時(shí)鐘，主器件輸出起始、停止條件。②主接收器方式：SDA線上接收串行數(shù)據(jù)，SCL線上輸出串行時(shí)鐘，主器件輸出起始、停止條件。③從發(fā)送器方式：SDA線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，SCL線上接收串行時(shí)鐘。④從接收器方式：SDA線上接收串行數(shù)據(jù)，SCL線上接收串行時(shí)鐘。

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3．SMBus總線的典型電路

4．SMBus與I2C總線的主要區(qū)別

SMBus總線與I2C總線相比主要存在這幾個(gè)方面的差別：電氣參數(shù)、時(shí)鐘、通信協(xié)議、操作方式等方面。

（1）電氣參數(shù)

SMBus總線和I2C總線都是以固定電源電壓為基礎(chǔ)的，也可以采用VDD電壓的混合設(shè)備提供電源。SMBus總線定義VDD電壓為3~5.0V±10%，而I2C總線定義VDD電壓為5.0V±10%,固定電平為1.5~3.0V；SMBus定義輸入電平可達(dá)VDD，而I2C定義它們電壓范圍為0.8~2.1V；在功耗方面，SMBus比I2C要求更加苛刻，對(duì)DC的要求更加嚴(yán)格；SMBus1.1版規(guī)定的最大漏電流為5μA，而I2C規(guī)定的最大漏電流是10μA。（2）時(shí)鐘

SMBus總線規(guī)定其工作速率為10~100Kb/s,I2C總線沒有這樣的規(guī)定，只是工作在三種模式下（標(biāo)準(zhǔn)模式為100Kb/s、快速模式為400Kb/s和高速模式為3.4Mb/s）；SMBus時(shí)鐘斷開的最低時(shí)間為30ms，I2C總線沒有這樣的規(guī)定。

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1.單總線的特點(diǎn)采用單總線技術(shù)的主/從設(shè)備，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）主/從設(shè)備間的連線少，有利于長距離通信；（2）功耗低，由于單線芯片采用CMOS技術(shù)，且從設(shè)備一般由主設(shè)備集中供電，因此耗電量很少（空閑時(shí)幾μW,工作時(shí)幾mW）；（3）主/從設(shè)備都為開漏結(jié)構(gòu)，為使掛在總線上的每個(gè)設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候都能驅(qū)動(dòng)，它們與總線的匹配端口都具有開漏輸出功能，因此在主設(shè)備的總線側(cè)必須有上拉電阻；（4）單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，因此系統(tǒng)的抗干擾性能好，可靠性高；（5）特殊復(fù)位功能，線路處于空閑狀態(tài)時(shí)為高電平，若總線處于低電平的時(shí)間大于器件規(guī)定值（通常該值為幾百μs）時(shí)，總線上的從設(shè)備將被復(fù)位；（6）ROMID，單總線上可掛許多單線芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)這些芯片時(shí)，每個(gè)單線芯片都編制了唯一的ID地址碼，這些ID地址碼都存放在該芯片自帶的存儲(chǔ)器中，通過尋址就能把芯片識(shí)別出來。

8.2.5單總線第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

2．單總線的接口電路及單總線芯片工作原理（1）單總線接口電路

（2）單總線芯片工作原理主設(shè)備在合適的時(shí)間內(nèi)可驅(qū)動(dòng)單總線上的每個(gè)從設(shè)備（單總線芯片），這是因?yàn)槊總€(gè)單總線芯片都有各自唯一的64位ID地址碼。這64位ID地址碼是廠家對(duì)每個(gè)單總線芯片使用激光刻錄的一個(gè)64位二進(jìn)制ROM代碼，其中第一個(gè)8位表示單線芯片的分類編號(hào)；接著的48位是標(biāo)識(shí)器件本身的序列號(hào)，這48位序列號(hào)是一個(gè)大于281×1012的十進(jìn)數(shù)編碼，所以完全可作為每個(gè)單總線芯片和唯一標(biāo)識(shí)代碼；最后8位為前56位的CRC（CyclicRedundancyCheek）循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。在數(shù)據(jù)通信過程中，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸正確與否主要是檢驗(yàn)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。即數(shù)據(jù)通信中，主設(shè)備收到64位ID地址碼后，將前56位按CRC生成多項(xiàng)式：CRC=X8+X5+X4+1，計(jì)算出CRC的值，并與接收到的8位CRC值進(jìn)行比較，若兩者相同則表示數(shù)據(jù)傳輸正確，否則重新傳輸數(shù)據(jù)。作為單總線從設(shè)備的單總線芯片，一般都具有生成CRC校驗(yàn)碼的硬件電路，而作為單總線的主設(shè)備可使用硬件電路生成CRC校驗(yàn)碼，也可通過軟件的方法來產(chǎn)生CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

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3．單總線芯片的傳輸過程（1）初始化；（2）傳送ROM命令；（3）傳送RAM命令；（4）數(shù)據(jù)交換。

單總線信號(hào)波形

ROM功能命令主要是用來管理、識(shí)別單總線芯片，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)“片選”功能。ROM功能命令有7個(gè)：（1）讀ROM：主設(shè)備讀取從設(shè)備的64位ID地址碼。該命令用于總線上只有一個(gè)從設(shè)備。（2）匹配ROM：上有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，允許主設(shè)備對(duì)多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行尋址。從設(shè)備將接收到的ID地址碼與各自的ID地址碼進(jìn)行比較，若相同表示該從設(shè)備被主設(shè)備選中，否則將繼續(xù)保持等待狀態(tài)。（3）查找ROM：統(tǒng)首次啟動(dòng)后，須識(shí)別總線上各器件。（4）直訪ROM：系統(tǒng)只有一個(gè)從設(shè)備時(shí)，主設(shè)備可不發(fā)送64位ID地址碼直接進(jìn)入芯片對(duì)RAM存儲(chǔ)器訪問。（5）超速匹配ROM：超速模式下對(duì)從設(shè)備進(jìn)行尋址。（6）超速跳過ROM：超速模式下，跳過讀ROM命令。（7）條件查找ROM：于查找輸入電壓超過設(shè)置的報(bào)警門限值的某個(gè)器件。

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器有紫外線擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory），如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）和27512（64K×8）等。

8.3并行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展8.3.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展2716的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

2716工作方式

工作方式VppVDDDO0~DO7讀低電平低電平+5V+5V數(shù)據(jù)輸出維持高電平任意+5V+5V高阻編程高電平高電平+25V+5V數(shù)據(jù)輸入編程檢驗(yàn)低電平低電平+25V+5V數(shù)據(jù)輸出編程禁止高電平任意+25V+5V高阻三種芯片與單片機(jī)P0口的連接方法

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

線譯碼法擴(kuò)展EPROM存儲(chǔ)器

全譯碼法擴(kuò)展E2PROM存儲(chǔ)器

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

靜態(tài)RAM讀寫速度相對(duì)快，字節(jié)寬度易于擴(kuò)展，但集成度低，功耗大。典型產(chǎn)品有6116（2K×8）、6264（8K×8）、62256（32K×8）等。動(dòng)態(tài)RAM集成度高，功耗低，但需增加一個(gè)刷新電路。iRAM（IntegratedRMA）,它將動(dòng)態(tài)RAM系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片，兼有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩者的優(yōu)點(diǎn)，其典型產(chǎn)品有2186、2187等。

8.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展6264的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

6264工作方式

全譯碼法擴(kuò)展存儲(chǔ)器

工作方式CE2未選中（掉電）任意高電平任意任意高阻未選中（掉電）任意任意低電平任意高阻輸出禁止高電平低電平高電平高電平高阻讀高電平低電平高電平低電平數(shù)據(jù)輸出寫低電平低電平高電平高電平數(shù)據(jù)輸入寫低電平低電平高電平低電平數(shù)據(jù)輸入第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

3．外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的串行擴(kuò)展方法（1）利用74LS164和74LS165串行擴(kuò)展1MB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

（2）讀/寫原理

電路中利用單片機(jī)的可編程串行口來擴(kuò)展大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。設(shè)置串行口工作于方式0，P3.0（RXD）作數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送，P3.1（TXD）發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)。再利用單片機(jī)的幾位口線作為控制信號(hào)：P1.5作為628128的片選控制信號(hào)，P1.6控制0#~3#的串行移位輸入，當(dāng)P1.6=0時(shí)，反相為高，0#~2#串行移位輸入20位存儲(chǔ)器的地址，3#不工作，當(dāng)P1.6=1時(shí)，3#串行移位輸入8位數(shù)據(jù)，0#~2#不工作；P1.7作為74LS165串行輸出/并行輸入的控制，同時(shí)也控制628128的讀/寫操作。當(dāng)P1.7=1時(shí)，反相為低，628128可以打入20位地址或向選中單元寫入8位數(shù)據(jù)，當(dāng)P1.7=0時(shí)，反相為高，讀有效允許74LS165并行置入8位數(shù)據(jù)，然后撤銷628128的片選，P1.7置1，允許74LS165串行移位輸出數(shù)據(jù)。

（3）讀/寫程序設(shè)計(jì)寫入程序：若向片外RAM3000H開始的單元寫入40H~90H的80個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其程序見主教材P237第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

1．AT24CXX外部封裝及引腳功能

8.4串行E2PROM的擴(kuò)展8.4.1二線制I2CE2PROMAT24CXX系列的擴(kuò)展（1）A0、A1、A2：片選或頁面選擇地址輸入。

（2）GND：地線。（3）SDA：串行數(shù)據(jù)（/地址）I/O端，用于串行數(shù)據(jù)的輸入/輸出。

（4）SCL：串行時(shí)鐘輸入端，用于輸入/輸出數(shù)據(jù)的同步。

（5）WP：寫保護(hù)，用于硬件數(shù)據(jù)的保護(hù)。

WP引腳狀態(tài)被保護(hù)的存儲(chǔ)單元部分AT24C01(A)AT24C02AT24C04AT24C08AT24C16接VCC1KB全部陣列2KB全部陣列4KB全部陣列正常讀/寫操作上半部8KB陣列接地正常讀/寫操作

WP端的保護(hù)范圍

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2．AT24CXX內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3．功能描述

AT24C01(A)/02/04/08/16支持I2C雙向二線制串行總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件稱為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件稱為接收器。一般微處理器/微控制器稱為主器件，它產(chǎn)生串行時(shí)鐘和起始停止信號(hào)；E2PROM工作在從機(jī)方式，稱為從器件。4．從器件的尋址

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5．時(shí)序分析（1）SCL和SDA的時(shí)鐘關(guān)系

（2）啟動(dòng)和停止信號(hào)

（3）應(yīng)答信號(hào)

6．讀/寫操作

AT24CXX立即地址讀

AT24CXX順序讀

AT24CXX隨機(jī)讀

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

AT24C01(A)/02/04/08/16字節(jié)寫

AT24C01(A)/02/04/08/16頁面寫

7．用I2CE2PROM芯片擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器【例8-1】用AT24C04擴(kuò)展外圍程序存儲(chǔ)器，并將以0800H單元開始的連續(xù)10個(gè)數(shù)據(jù)寫入到E2PROM的01H為首地址的單元中。解：AT24C04是位容量為4K位，其字節(jié)容量為512字節(jié)的E2PROM芯片。與P8XC591單片機(jī)的連接如圖8-40所示。R1、R2為上拉電阻。其程序見主教材P243~P244

第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

2．AT25010/020/040內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.4.2三線制SPIE2PROMAT25010/020/040系列的擴(kuò)展（1）/CS：片選，低電平有效。（2）SO：串行數(shù)據(jù)輸出，在讀操作時(shí)與時(shí)鐘輸入信號(hào)同步輸出數(shù)據(jù)。（3）：寫保護(hù)，用于硬件數(shù)據(jù)的保護(hù)，低電平有效。（4）GND：地線（5）SI：串行數(shù)據(jù)輸入，鎖定與時(shí)鐘輸入信號(hào)同步的數(shù)據(jù)。（6）SCK：串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入信號(hào)，用于微處理器與串行E2PROM之間通信的同步信號(hào)。（7）：暫停串行輸入，低電平有效。（8）VCC:電源電壓。

1．AT25010/20/40外部封裝及引腳功能第8章外部系統(tǒng)的擴(kuò)展

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