單片機原理與應(yīng)用設(shè)計張毅剛等編著電子教案講義課件省公開課金獎全國賽課一等獎微課獲獎?wù)n件

單片機原理與應(yīng)用設(shè)計[張毅剛等編著][電子教案]1/60第8章89C51單片機擴展存放器設(shè)計8.1系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)

89C51系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)如圖8-1所表示。

圖8-12/60由圖8-1能夠看出，系統(tǒng)擴展主要包含存放器擴展和I/O接口部件擴展。外部存放器擴展又包含程序存放器擴展和數(shù)據(jù)存放器擴展。89C51采取是哈佛結(jié)構(gòu)。擴展后，系統(tǒng)形成了兩個并行外部存放器空間。89C51單片機采取并行總線結(jié)構(gòu)，大大增加了系統(tǒng)靈活性，使擴展易于實現(xiàn)，各擴展部件只要符合總線規(guī)范，就能很方便地接入系統(tǒng)。因為系統(tǒng)擴展是以89C51單片機為關(guān)鍵，經(jīng)過總線把89C51與各擴展部件連接起來。所以，要進(jìn)行系統(tǒng)擴展首先要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線。3/608.2系統(tǒng)總線及總線結(jié)構(gòu)按功效通常把系統(tǒng)總線分為三組，如圖8-1所表示。1．地址總線（AdressBus，AB）地址總線用于傳送單片機發(fā)出地址信號，方便進(jìn)行存放單元和I/O接口芯片中存放器選擇。地址總線是單向傳輸。2．?dāng)?shù)據(jù)總線(DataBus，DB)數(shù)據(jù)總線用于在單片機與存放器之間或與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線是雙向，能夠進(jìn)行兩個方向傳送。3．控制總線（ControlBus，CB）控制總線實際上就是單片機發(fā)出各種控制信號線。8.2.1結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線

4/60系統(tǒng)擴展首要問題:結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線上“掛”存放器芯片或I/O接口芯片，“掛”存放器芯片就是存放器擴展，“掛”I/O接口芯片就是I/O擴展。1．以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線89C51因為受引腳數(shù)目標(biāo)限制，數(shù)據(jù)線和低8位地址線復(fù)用。為了將它們分離出來，需要外加地址鎖存器，從而組成與普通CPU相類似片外三總線，見圖8-2。

5/60圖8-26/602.以P2口口線作為高位地址線P2口全部8位口線用作高位地址線，再加上P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址，便形成了完整16位地址總線（見圖8-2），使尋址范圍到達(dá)64KB。3．控制信號線除了地址線和數(shù)據(jù)線之外，還要有系統(tǒng)控制總線。這些信號有就是單片機引腳第一功效信號，有則是P3口第二功效信號。其中包含：（1）PSEN*信號作為外擴程序存放器讀選通控制信號。7/60（2）RD*和WR*信號作為外擴數(shù)據(jù)存放器和I/O接口讀、寫選通控制信號。（3）ALE信號作為低8位地址鎖存控制信號。（4）EA*信號作為內(nèi)、外程序存放器選擇控制信號?？煽闯?，盡管89C51單片機有4個并行I/O口，共32條口線，但因為系統(tǒng)擴展需要，真正作為數(shù)字I/O使用，就剩下P1口和P3口部分口線了。8.2地址空間分配和外部地址鎖存器8.2.1存放器地址空間分配

8/60怎樣把外部各自64KB空間分配給各個程序存放器、數(shù)據(jù)存放器芯片，而且使程序存放器各個芯片之間，數(shù)據(jù)存放器各芯片之間，為防止發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，一個存放器單元對應(yīng)一個地址，這就是存放器地址空間分配問題。在外擴多片存放器芯片中，89C51要完成這種功效，必須進(jìn)行兩種選擇：一是必須選中該存放器芯片（或I/O接口芯片），這稱為“片選”，只有被“選中”存放器芯片才能被89C51讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。為了片選需要，每個存放器芯片都有片選信號引腳，二是在“片選”基礎(chǔ)上再選擇該芯片某一單元，稱為“單元選擇”。9/60慣用存放器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）和地址譯碼法（簡稱譯碼法），下面分別介紹。1．線選法直接利用系統(tǒng)高位地址線作為存放器芯片（或I/O接口芯片）“片選”控制信號。為此，只需要把用到高位地址線與存放器芯片“片選”端直接連接即可。線選法優(yōu)點是電路簡單，不需要另外增加地址譯碼器硬件電路，體積小，成本低。缺點是可尋址芯片數(shù)目受到限制。另外，地址空間不連續(xù)，每個存放單元地址不唯一，不10/60能充分有效地利用存放空間，這會給程序設(shè)計帶來一些不便，只適合用于外擴芯片數(shù)目不多單片機系統(tǒng)存放器擴展。2．譯碼法使用譯碼器對89C51高位地址進(jìn)行譯碼，將譯碼器譯碼輸出作為存放器芯片片選信號。是最慣用地址空間分配方法，它能有效地利用存放器空間，適合用于多芯片存放器擴展。慣用譯碼器芯片有74LS138（3-8譯碼器）74LS139（雙2-4譯碼器）74LS154（4-16譯碼器）。若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼；若僅部分高位地址線參加譯碼，稱11/60為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存放器地址空間相重合情況。兩種慣用譯碼器芯片。（1）74LS13874LS138是3-8譯碼器，有3個數(shù)據(jù)輸入端,經(jīng)譯碼產(chǎn)生8種狀態(tài)。其引腳如圖8-3所表示，真值表如表8-1所表示。由表8-1可見，當(dāng)譯碼器輸入為某一固定編碼時，其輸出僅有一個固定引腳輸出為低電平，其余為高電平。而輸出為低電平引腳就作為某一存放器芯片片選端控制信號。12/60圖8-313/60

表8-174LS138譯碼器真值表

輸入輸出

G1G2A*G2B*CBAY7*Y6*Y5*Y4*Y3*Y2*Y1*Y0*14/60

（2）74LS13974LS139是雙2-4譯碼器。兩個譯碼器完全獨立，分別有各自數(shù)據(jù)輸入端、譯碼狀態(tài)輸出端以及數(shù)據(jù)輸入允許端。其引腳如圖8-4所表示，真值表如表8-2所表示（見P138）。圖8-415/60下面以74LS138為例，介紹怎樣進(jìn)行地址分配。例要擴8片8KBRAM6264，怎樣經(jīng)過74LS138把64KB空間分配給各個芯片？64KB地址空間分配如圖8-5所表示。圖8-516/60采取全地址譯碼方式，單片機發(fā)地址碼時，每次只能選中一個存放單元。同類存放器間不會產(chǎn)生地址重合問題。假如用74LS138把64K空間全部劃分為每塊4KB，怎樣劃分呢？因為4KB空間需要12條地址線進(jìn)行“單元選擇”，而譯碼器輸入有3條地址線（P2.6～P2.4），P2.7沒有參加譯碼，P2.7發(fā)出0或1決定了選擇64KB存放器空間前32KB還是后32KB，因為P2.7沒有參加譯碼，就不是全譯碼方式，這么前后兩個32KB空間就重合了。那么，這32KB空間利用74LS138譯碼器可劃分為8個4KB空間。假如把P2.7經(jīng)過一個非門與74LS138譯碼器G1端連接起來，如圖8-6所表示，就不會發(fā)生兩個32KB空間重合問題了。17/608.2.2外部地址鎖存器地址鎖存器芯片:74LS373、8282、74LS573等。1.鎖存器74LS373帶有三態(tài)門8D鎖存器,其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-7和圖8-8。89C51與74LS373連接如圖8-9所表示。圖8-618/60引腳說明以下:D7～D0:8位數(shù)據(jù)輸入線。Q7～Q0:8位數(shù)據(jù)輸出線。G: 數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號,

圖8-7圖8-819/60OE*:數(shù)據(jù)輸出允許信號圖8-920/6074LS373功效如表8-3所表示。表8-374LS373功效表OE*

G D Q

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 × 不變 1 × × 高阻態(tài) 21/602．鎖存器74LS573

輸入D端和輸出Q端依次排在芯片兩側(cè)，為繪制印刷電路板時布線提供了方便。圖8-1022/6074LS573各引腳說明以下:D7～D0：8位數(shù)據(jù)輸入線。Q7～Q0：8位數(shù)據(jù)輸出線。G

：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號，該引腳與74LS373G端功效相同。OE*：數(shù)據(jù)輸出允許信號，低電平有效。當(dāng)該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當(dāng)該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。23/608.3程序存放器EPROM擴展

采取只讀存放器，非易失性。（1）掩膜ROM在制造過程中編程。成本較高，所以只適合于大批量生產(chǎn)。（2）可編程ROM（PROM）用獨立編程器寫入。但PROM只能寫入一次，且不能再修改。（3）EPROM電信號編程，紫外線擦除只讀存放器芯片。（4）E2PROM（EEPROM）電信號編程，電信號擦除ROM芯片。讀寫操作與RAM幾乎沒有什么差異，只是寫入速度慢一些。但斷電后能夠保留信息。（5）FlashROM又稱閃爍存放器，簡稱閃存。大有取代E2PROM趨勢。24/60當(dāng)前許多企業(yè)生產(chǎn)以8051為內(nèi)核單片機，在芯片內(nèi)部大多集成了數(shù)量不等FlashROM。比如，美國ATMEL企業(yè)生產(chǎn)與51系列單片機兼容產(chǎn)品89C2051/89C51/89C52/89C55，片內(nèi)分別有2KB/4KB/8KB/20KBFlashROM，來作為EPROM使用。對于這類單片機，在片內(nèi)FlashROM滿足要求情況下，擴展外部程序存放器工作就可省去。25/608.3.1慣用EPROM芯片介紹經(jīng)典芯片是27系列產(chǎn)品，比如，2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）。“27”后面數(shù)字表示其位存放容量。伴隨大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展，大容量存放器芯片產(chǎn)量劇增，售價不停下降，其性價比顯著增高，而且因為有些廠家已停頓生產(chǎn)小容量芯片，使市場上一些小容量芯片價格反而比大容量芯片還貴。所以，在擴展程序存放器設(shè)計時，應(yīng)盡可能采取大容量芯片。26/601.慣用EPROM芯片27系列EPROM芯片引腳如圖8-11所表示，參數(shù)見表8-4（P143，略）。圖8-11中引腳功效以下：A0～A15：地址線引腳。數(shù)目決定存放容量來定，用來進(jìn)行單元選擇。D7～D0：數(shù)據(jù)線引腳CE*：片選輸入端OE*：輸出允許控制端PGM*：編程時，加編程脈沖輸入端27/60Vpp：編程時，編程電壓（+12V或+25V）輸入端Vcc：+5V，芯片工作電壓。GND：數(shù)字地。NC：無用端

28/60圖8-1129/602.EPROM芯片工作方式5種工作方式如表8-5所表示。（1）讀出方式片選控制線為低,同時輸出允許控制線為低，Vpp為+5V，指定地址單元內(nèi)容從D7～D0上讀出。（2）未選中方式片選控制線為高電平。（3）編程方式Vpp端加上要求高壓,CE*和OE*端加適當(dāng)電平(不一樣芯片要求不一樣)，就能將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)寫入到指定地址單元。（4）編程校驗方式

30/60（5）編程禁止方式輸出呈高阻狀態(tài)，不寫入程序。8.3.2程序存放器操作時序1.訪問程序存放器控制信號（1）ALE（2）PSEN*（3）EA*假如指令是從片外EPROM中讀取，ALE用于低8位地址鎖存，PSEN*接外擴EPROMOE*腳。P0口:分時低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線，P2口:高8位地址線。2.操作時序

31/60(1)應(yīng)用系統(tǒng)中無片外RAM圖8-12(a)32/60(2)應(yīng)用系統(tǒng)中接有片外RAM圖8-12(b)33/60由圖8-12(b)可看出：（1）將ALE用作定時脈沖輸出時，執(zhí)行一次MOVX指令就會丟失一個脈沖。（2）只有在執(zhí)行MOVX指令時第二個機器周期期間，地址總線才由數(shù)據(jù)存放器使用。8.3.389C51與EPROM接口電路設(shè)計

1.硬件接口電路設(shè)計時，因為EPROM在正常使用中只能讀出，不能寫入，故EPROM芯片沒有寫入控制腳，只有讀出控制腳，記為OE*，它與89C51單片機PSEN*相連，地址線、數(shù)據(jù)線分別與89C51地址線、數(shù)據(jù)線相連，片選端控制可采取線選法或譯碼法。圖8-13為外擴一片27128接口電路圖。34/60圖8-1335/603.使用多片EPROM擴展電路89C51擴展4片27128。圖8-1436/60圖8-14中片選控制信號由譯碼器產(chǎn)生。4片27128各自所占地址空間，請讀者自己分析。

8.4靜態(tài)數(shù)據(jù)存放器擴展在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，外擴數(shù)據(jù)存放器都采取靜態(tài)數(shù)據(jù)存放器（SRAM），所以只討論SRAM與89C51接口。所擴展數(shù)據(jù)存放器空間地址由P2口提供高8位地址，P0口分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存放器RAM讀和寫由89C51RD*（P3.7）和WR*（P3.6）信號控制，而片外程序存放器EPROM輸出允許端（OE*）由89C51程序存放器讀選通信號PSEN*控制。盡管與EPROM地址空間范圍都是相同，但因為控制信號不一樣，故不會發(fā)生總線沖突。37/608.4.1慣用靜態(tài)RAM（SRAM）芯片經(jīng)典型號有:6116、6264、62128、62256。+5V電源供電，雙列直插封裝，6116為24引腳封裝，6264、62128、62256為28引腳封裝，引腳如圖8-15。各引腳功效:A0～A14：地址輸入線。D0～D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。CE*：片選信號輸入。對于6264芯片，當(dāng)26腳(CS)為高電平時,且CE*為低電平時才選中該片。OE*：讀選通信號輸入線。WE*：寫允許信號輸入線，低電平有效。38/60圖8-1539/60Vcc：工作電源+5VGND：地工作方式有讀出、寫入、維持三種，這些工作方式操作控制如表8-6(P148)。8.4.2外擴數(shù)據(jù)存放器讀寫操作時序1.讀片外RAM操作時序

圖8-1640/602.寫片外RAM操作時序

寫是CPU主動把數(shù)據(jù)送上P0口總線。故在時序上，CPU先向P0口總線上送完8位地址后，在S3狀態(tài)就將數(shù)據(jù)送到P0口總線。

圖8-1741/608.4.389C51與RAM接口電路設(shè)計

圖8-18為線選法擴展外部數(shù)據(jù)存放器電路。

圖8-1842/60地址線為A0～A12，故8031剩下地址線為三根。用線選法可擴展3片6264。3片6264對應(yīng)存放器空間如表8-7。表8-743/60譯碼選通法擴展,如圖8-19所表示。圖8-1944/60各62128芯片地址分配見表8-9。

表8-9各片62128地址分配

P2.6P2.7譯碼輸出選中芯片地址范圍存放容量

00YO*IC10000H-3FFFH16K01Y1*IC24000H-7FFFH16K10Y2*IC38000H-BFFFH16K11Y3*IC4C000H-FFFFH16K

例8-1編寫程序?qū)⑵鈹?shù)據(jù)存放器中5000H～50FFH單元全部清零45/60方法1：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，同時使用字節(jié)計數(shù)器。

MOVDPTR，#5000H ；設(shè)置數(shù)據(jù)塊指針初值 MOVR7，#00H ；設(shè)置塊長度計數(shù)器初值 CLRALOOP：MOVX@DPTR，A ；把某一單元清零 INCDPTR ；地址指針加1 DJNZR7，LOOP ；數(shù)據(jù)塊長度減1，若不為 ；0則繼續(xù)清零HERE：SJMPHERE ；執(zhí)行完成，原地踏步46/60方法2：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，但不使用字節(jié)計數(shù)器，而是比較特征地址。 MOVDPTR，#5000H CLRALOOP： MOVX@DPTR，A INCDPTR MOVR7，DPL

CJNER7，#0，LOOP；與末地址+1比較HERE： SJMPHERE47/608.6EPROM和RAM綜合擴展8.6.1綜合擴展硬件接口電路例8-2采取線選法擴展2片8KBRAM和2片8KBEPROM。RAM選6264，EPROM選2764。擴展接口電路見圖8-20。圖8-2048/60（1）控制信號及片選信號IC2和IC4占用地址空間為H～3FFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范圍4000H～5FFFH（P2.6=1、P2.5=0、P2.7=0）。線選法地址不連續(xù)，地址空間利用不充分。（2）各芯片地址空間分配IC2和IC4占用地址空間為A000H～BFFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范圍為C000H～DFFFH。4片存放器各自所占地址空間如表8-9所表示。49/60例8-3采取譯碼器法擴展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM選取2764，RAM選取6264。共擴展4片芯片。擴展接口電路見圖8-21。

圖8-2150/60各存放器地址范圍以下：表8-9可見譯碼法進(jìn)行地址分配，各芯片地址空間是連續(xù)。51/608.5.2外擴存放器電路工作原理及軟件設(shè)計

1.單片機片外程序區(qū)讀指令過程

2.單片機片外數(shù)據(jù)區(qū)讀/寫數(shù)據(jù)過程

比如，把片外6000H單元數(shù)送到片內(nèi)RAM50H單元，程序以下：

MOVDPTR，#6000H

MOVXA，@DPTR MOV50H，A

比如，把片內(nèi)50H單元數(shù)據(jù)送到片外4000H單元中，程序以下：

MOVA,50H

52/60 MOVDPTR,#4000H

MOVX

@DPTR,A89C51單片機讀寫片外數(shù)據(jù)存放器中內(nèi)容，除用MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A外，還可使用MOVXA,@Ri和MOVX@Ri,A。這時經(jīng)過P0口輸出Ri中內(nèi)容（低8位地址），而把P2口原有內(nèi)容作為高8位地址輸出。例8-4

將程序存放器中以TAB為首址32個單元內(nèi)容依次傳送到外部RAM以7000H為首地址區(qū)域去。

53/60DPTR指向標(biāo)號TAB首地址。R0既指示外部RAM地址，又表示數(shù)據(jù)標(biāo)號TAB位移量。本程序循環(huán)次數(shù)為32，R0值：0～31，R0值到達(dá)32就結(jié)束循環(huán)。程序以下：

MOV P2,#70H MOV DPTR,#TAB MOV R0,#0 AGIN: MOV A,R0 MOVC A,@A+DPTR MOVX @R0,A INC R0

CJNE R0,#32,AGIN HERE: SJMP HERE TAB: DB……54/608.6ATMEL89C51/89C55單片機片內(nèi)閃爍存放器

AT89C51/89C52/89C55是低功耗、高性能片內(nèi)含有4KB/8KB/20KB閃爍可編程/擦除只讀存放器，芯片內(nèi)閃存允許在線編程或采取通用編程器對其重復(fù)編程。8.6.189C51性能及片內(nèi)閃爍存放器89C51主要性能（1）與MCS-51微控制器系列產(chǎn)