工学单片机原理及应用课件.pptx
学习目标n掌握掌握5151单片机扩展总线的结构及组成单片机扩展总线的结构及组成n掌握并行总线的逻辑与时序掌握并行总线的逻辑与时序n掌握并行总线扩展的地址译码方法掌握并行总线扩展的地址译码方法n掌握掌握5151单片机扩展存储器的方法单片机扩展存储器的方法n掌握掌握5151单片机扩展单片机扩展I/OI/O接口的方法接口的方法第1页/共100页7.1 51单片机扩展总线基础 单片机集成了CPUCPU、I/OI/O接口、存储器、定时器和中断系统等计算机的基本部件，外加电源、复位和时钟等辅助电路即构成一个能够正常工作的最小系统。第2页/共100页 然而，5151单片机的片上资源终归有限，针对某些应用可能需要扩展，如增加存储器容量和输入输出端口数量，增加ADCADC和DACDAC等。第3页/共100页MCS51 P2，P0 RD WR外部程序外部程序存存 贮贮 器器扩展RAM并行I/O接口串行I/O接口A/D转换D/A转换定时器计数器并行I/O设 备串行I/O设 备模拟量输 入模拟量输 出数据总线和地址总线数据总线和地址总线PSENPSEN、RD 和WR等信号构成了控制总线。第4页/共100页 为减少引脚数量，扩展总线中的数据总线和地址总线低8 8位采用了分时复用技术，即P0P0口分时传送地址总线信号的低8 8位（A0-A7A0-A7）和数据总线信号（D0-D0-D7D7）.单片机扩展总线的结构和组成单片机扩展总线的结构和组成第5页/共100页从P0P0口中分离出地址总线低8 8位地址信号：外接一个锁存器。第6页/共100页单片机的扩展总线信号包括：地址总线信号 A0-A15A0-A15；数据总线信号 D0-D7D0-D7；控制总线信号 ALEALE、EAEA、PSEN、RD 和WR.第7页/共100页 扩展总线信扩展总线信号名号名信号的含义信号的含义与单片机引脚号信与单片机引脚号信号定义的对应关系号定义的对应关系A0-A7A0-A7数据总线低数据总线低8 8位位P0P0口锁存输出口锁存输出A8-A15A8-A15数据总线高数据总线高8 8位位P2P2口口D0-D7D0-D7数据总线，数据总线，8 8位宽度位宽度P0P0口口ALEALE控制信号，地址锁存使能控制信号，地址锁存使能ALEALE控制信号，程序存储器使能，低电平有效控制信号，程序存储器使能，低电平有效控制信号，外部访问使能信号，低电平有效控制信号，外部访问使能信号，低电平有效 /V /VPPPP控制信号，读信号，低电平有效控制信号，读信号，低电平有效 /P3.7 /P3.7控制信号，写信号，低电平有效控制信号，写信号，低电平有效 /P3.7 /P3.7第8页/共100页1.1.访问外部程序存储器2.2.访问外部数据存储器或数据端口(读 XRAM)XRAM)3.3.访问外部数据存储器或数据端口(写 XRAM)XRAM)扩展总线的逻辑关系和时序分析第9页/共100页state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2CLKALEPSENP0P2访问外部程序存储器MOVCMOVC A,A+DPTR A,A+DPTRPCLDPLPCLDPHPCHPCH数据数据指令指令取指令阶段执行指令阶段第10页/共100页state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2CLKALEPSENP0P2PCLDPLPCLDPHPCHPCH数据指令指令读外部数据存储器或端口MOVXMOVX A,DPTR A,DPTR取指令阶段第11页/共100页state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2CLKALERDP0P2DPLDPH数据数据读外部数据存储器或端口 MOVX A,DPTR MOVX A,DPTR 执行阶段第12页/共100页state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2CLKALEPSENP0P2PCLDPLPCLDPHPCHPCH数据指令取指令阶段写外部数据存储器或端口MOVXMOVX DPTR,A DPTR,A第13页/共100页state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2CLKALEWRP0P2DPH数据数据写外部数据存储器或端口 MOVX DPTR,A MOVX DPTR,A 执行阶段DPL第14页/共100页扩展存储器时，通常使用多个存储器芯片。总线扩展的地址译码方法总线扩展的地址译码方法 存储器芯片 316 KB存储器芯片 216 KB存储器芯片 116 KB64KB64KB存储器芯片 416 KB第15页/共100页每个存储器芯片中的存储单元的地址是不同的。FFFFHFFFFH存储器芯片 416 KB存储器芯片 316 KB存储器芯片 216 KB存储器芯片 116 KB0000H0000HFFFFH C000HBFFFH 8000H7FFFH 4000H3FFFH 0000H第16页/共100页 相应地，整个存储空间可分为4 4页，不同的存储芯片占用不同的页面。FFFFHFFFFH第4页存储器芯片 4第3页存储器芯片 3第2页存储器芯片 2每1页存储器芯片 10000H0000HFFFFH C000HBFFFH 8000H7FFFH 4000H3FFFH 0000H第17页/共100页地址空间分配就是把64KB64KB的寻址空间通过地址译码的方法分成若干个页面，不同的存储器芯片占用不同的页面。第4页存储器芯片 4第3页存储器芯片 3第2页存储器芯片 2每1页存储器芯片 1FFFFH C000HBFFFH 8000H7FFFH 4000H3FFFH 0000H1111 1111 1111 1111 1100 0000 0000 00001011 1111 1111 1111 1000 0000 0000 00000111 1111 1111 1111 0100 0000 0000 00000011 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000第18页/共100页高位地址线用于选择页面，称为选页（片）地址；低位地址线用来选择页内单元，称为页内地址。010100 000000 0000 0000 00000000 0000010100 011100 0111 1111 11111111 1111010111 1111 1111 111111 1111 1111 1111同一页内(16KB)(16KB).A15A14A13A0第19页/共100页地址译码时，选页地址用于产生页面选择信号，页内地址用于产生页内单元选择信号。扩展存储器地址范围.doc第20页/共100页扩展I/OI/O端口与扩展存储器类似，只是用寄存器代替存储器芯片，而且通常直接产生端口选择信号。扩展端口地址.doc第21页/共100页地址译码的方法通常有三种:全地址译码部分地址译码线选译码。第22页/共100页1.1.全地址译码 所有的地址线都参与译码，每个存储单元或端口与一个确定的地址一一对应。所有的选页地址线参与选页地址译码；所有的页内地址线参与页内单元的译码（存储器芯片自身功能）。第23页/共100页例：若页面的大小为8KB8KB，64KB64KB的存储空间分成8 8页，则页内地址应为1313位，即A0-A12A0-A12；其余地址为选页地址，即 A13-A15A13-A15，全地址译码要求所有选页地址都参与选页译码，产生8 8个页面选择信号。第24页/共100页2.部分地址译码 只有部分地址参与译码，一个存储单元或端口与多个地址对应。部分地址译码法可以简化译码电路的设计。第25页/共100页3.3.线选译码 线选译码是部分地址译码的特殊形式，即直接用地址线来选通存储器芯片或端口，一个存储单元或端口与多个地址对应。第26页/共100页 例如，不用译码电路，仅用高位地址线就可以把64KB64KB的存储空间划分为不同的区域。第27页/共100页地址空间分配 总线驱动能力 电平的匹配 控制时序和逻辑的匹配 速度的协调状态信号的处理 扩展时应该考虑的问题扩展时应该考虑的问题第28页/共100页5151系列单片机采用总线扩展方式可以实现：存储器扩展；输入/输出端口扩展；功能部件（如定时器、计数器、键盘、显示器等）的扩展；A/DA/D和的D/AD/A扩展；第29页/共100页7.2 517.2 51单片机存储器的扩展 存储器基础知识 程序存储器的扩展 数据存储器的扩展 存储器综合扩展举例第30页/共100页1.1.半导体存储器的分类 存储器基础知识存储器基础知识 半导体存储器随机存取存储器（RAMRAM）只 读 存储器（ROMROM）静态RAMRAM（SRAMSRAM）动态RAMRAM（DRAMDRAM）非易失性RAMRAM（NVRAMNVRAM）掩膜式ROMROM可编程ROMROM（PROMPROM）可擦除可编程ROMROM（EPROMEPROM）电可擦除可编程ROMROM（E E2 2PROMPROM）闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）第31页/共100页2.2.常用EPROMEPROM介绍 EPROM的电路结构主要包括:地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器。第32页/共100页常用的EPROM芯片 型型 号性号性 能能27162716273227322764276427128271282725627256容量容量/bit/bit2KB82KB84KB84KB88KB88KB816KB816KB832KB832KB8读写时间读写时间/ns/ns350350250250250250250250250250封装封装DIP24DIP24DIP24DIP24DIP28DIP28DIP28DIP28DIP28DIP28第33页/共100页EPROMEPROM芯片引脚图(2764)(2764)第34页/共100页3.3.常用SRAMSRAM介绍 (6264)(6264)第35页/共100页常用的SRAM芯片型型 号号 性性 能能61166116626462646225662256容量容量/bit/bit2KB82KB88KB88KB832KB832KB8读写时间读写时间/ns/ns200200200200200200工作电压工作电压/V/V5 55 55 5典型工作电流典型工作电流/mA/mA353540408 8典型维持电流典型维持电流/mA/mA5 52 20 05 5封装封装DIP24DIP24DIP28DIP28DIP28DIP28第36页/共100页SRAMSRAM芯片引脚图(6264)(6264)第37页/共100页3.EEPROM3.EEPROM简介 Electrically Erasable Programmable ROM 相同容量的EEPROMEEPROM和EPROMEPROM的引脚是兼容的。型型 号号2816A2816A281728172817A2817A2864A2864A存储容量存储容量2KB82KB82KB82KB82KB82KB88KB88KB8第38页/共100页程序存储器的扩展主要考虑以下几个问题：1.1.地址线的连接2.2.数据线的连接3.3.控制信号的连接4.4.译码电路的设计程序存储器的扩展程序存储器的扩展 第39页/共100页例7-1 7-1 若单片机为80318031，试采用27642764扩展8KB8KB的程序存储器。扩展存储器地址范围.doc第40页/共100页例7-2 7-2 若单片机为8031,8031,试采用27642764扩展32KB32KB的程序存储器。扩展存储器地址范围.doc第41页/共100页 扩展外部数据存储器与扩展外部程序存储器的设计方法基本一样，但所用的控制信号不同，片外数据存储器的读/写由单片机的 RD RD(P3.7)(P3.7)和 WR WR(P3.6)(P3.6)信号控制，而读片外程序存储器的信号为 PSEN.PSEN.数据存储器的扩展数据存储器的扩展 第42页/共100页例7-4 7-4 若单片机为80318031，试采用SRAMSRAM芯片把外部数据存储器扩展为32KB32KB。分析：由于没有指定SRAMSRAM的具体型号，外部数据存储器扩展为32KB32KB有多种设计方案。方案一：62256 62256 的存储容量为32KB32KB，可以采用1 1片6225662256来设计。方案二：6212862128的存储容量为16KB16KB，可以采用2 2片6212862128来设计。方案三：62646264的存储容量为8KB8KB，可以用4 4片62646264来设计。方案四：61166116的存储容量为2KB2KB，可以用1616片61166116来设计方案五：可以用1 1片6212862128和2 2片62646264来设计。方案六：可以用1 1片6212862128和8 8片62646264来设计。采用大容量的SRAMSRAM芯片会使使用的芯片数量减少，译码电路的复杂性降低，从而提高电路的可靠性。因此方案一和方案二是比较合理的设计方案。第43页/共100页例7-4 7-4 采用一片6225662256扩展32KB32KB外部数据存储器。扩展存储器地址范围.doc第44页/共100页扩展存储器地址范围.doc例7-4 7-4 采用两片6212862128扩展32KB32KB外部数据存储器。第45页/共100页例7-5 7-5 若单片机为80318031，请用1 1片27642764扩展8KB8KB程序存储器,用1 1片6225662256扩展32KB32KB外部数据存储器。存储器综合扩展存储器综合扩展 第46页/共100页扩展存储器地址范围?第47页/共100页扩展EPROM地址译码方式?部分地址译码第48页/共100页扩展RAM地址译码方式?线选译码第49页/共100页7.3 517.3 51单片机并行I IO O端口的扩展 简单I/OI/O端口扩展 采用专用芯片扩展I/OI/O端口 采用串行通讯方式扩展I/OI/O端口第50页/共100页 常用的并行I/OI/O端口扩展方法主要有简单扩展、专用接口芯片扩展和串行扩展三种。简单扩展就是用74LS37774LS377、74LS37374LS373、74LS24474LS244、74LS24574LS245等锁存器、三态门或双向缓冲器构造一个简单的输入/输出端口；专用接口芯片扩展是采用81558155、82558255等专用接口芯片来扩展输入/输出端口；串行扩展是采用串行通讯的方式扩展并行输入/输出端口。第51页/共100页扩展时需要注意以下几点：扩展的并行I/OI/O端口和外部数据存储器统一编址，采用相同的控制信号，相同的寻址方式和相同的指令（MOVXMOVX）.系统中所有并行I/OI/O端口扩展芯片均应按照“输入三态、输出锁存”的原则与总线相连。注意P0P0口的负载能力。第52页/共100页1.1.采用锁存器扩展简单的8 8位输出端口简单简单I/OI/O端口扩展端口扩展 第53页/共100页state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2CLKALEWRP0P2DPH数据数据写外部数据存储器或端口 MOVX DPTR,A MOVX DPTR,A 执行阶段DPL第54页/共100页地址译码方式?端口地址?第55页/共100页MOV DPTR,#7FFFHMOV A，#96HMOVX DPTR，A第56页/共100页2.用三态门扩展8位并行输入端口第57页/共100页state 4P1 P2state 5P1 P2state 6P1 P2state 1P1 P2state 2P1 P2state 3P1 P2state 4P1 P2state 5P1 P2CLKALERDP0P2DPLDPH数据数据读外部数据存储器或端口 MOVX A,DPTR MOVX A,DPTR 执行阶段第58页/共100页MOV DPTR,#0BFFFHMOVX A,DPTR端口地址?第59页/共100页MOV DPTR,#0BFFFHMOVX A,DPTR3.采用锁存器扩展选通输入的8位并行口 第60页/共100页4.简单I/O接口扩展应用第61页/共100页4.不用总线信号扩展I/O端口端口地址多少?地址译码方式?第62页/共100页CLRCLRP3.2P3.2MOVMOVP1,#6CHP1,#6CHCLRCLRP3.0P3.0SETBSETBP3.0P3.0向U2U2对应的端口输出数据6CH6CH的程序段:第63页/共100页 常用的并行扩展芯片有常用的并行扩展芯片有8255A8255A和和81558155.8255A8255A可以外扩三个可以外扩三个8 8位的并行输入位的并行输入/输出端口；输出端口；81558155可可以以外外扩扩256Bytes256Bytes静静态态RAMRAM、一一个个可可编编程程的的1414位位减减法法计计数数器器、两两个个8 8位位并并行行I/OI/O端端口口和和一一个个6 6位位并并行行I/OI/O端口。端口。使用专用芯片扩展使用专用芯片扩展I/OI/O端口端口 第64页/共100页1.8255A 1.8255A 的的内部结构内部结构 第65页/共100页8255A8255A内部有四个端口：内部有四个端口：A A端口；端口；B B端口；端口；C C端口；端口；控制字端口。控制字端口。用于输入/输出用于芯片内部控制第66页/共100页2.8255A2.8255A的引脚的引脚CSCS：选片信号；选片信号；RESETRESET：复位信号；复位信号；RDRD：读端口控制信号；读端口控制信号；WRWR：写端口控制信号；写端口控制信号；A1,A0A1,A0：地址信号。地址信号。端口0 0A口0 1B口1 0C口1 1控制字寄存器A1 A0第67页/共100页所选断口操作00 001A口读A口00 010A口写A口00 101B口读B口00 110B口写B口01 001C口读C口01 010C口写C口01 110控制字寄存器写控制字寄存器1 高阻状态A1 A03.3.读写控制逻辑读写控制逻辑第68页/共100页4.8255A4.8255A与单片机的接口与单片机的接口第69页/共100页A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0端口端口端口地址端口地址0 00Port A0000H0 01Port B0001H0 10Port C0002H0 11控制字端口控制字端口0003H8255 A 端 口 地 址A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0端口端口端口地址0111111111111100Port A7FC0H0111111111111101Port B7FC1H0111111111111110Port C7FC2H0111111111111111控制字端口控制字端口 7FC3H第70页/共100页8255共有三种工作方式：工作方式 0，又称基本输入输出方式工作方式 1，又称选通输入输出方式工作方式 2，又称双向输入输出方式5.82555.8255的工作方式的工作方式第71页/共100页A口口或或B口口工工作作于于方方式式0时时可可用用于于输输入入或或输输出出，不不需要使用联络信号。需要使用联络信号。端口端口A输入：输入：MOVDPTR,#7FC0H MOV A,DPTR端口端口B输出：输出：MOVDPTR,#7FC1H MOV DPTR,A1）工作方式工作方式 0 -基本输入基本输入/输出方式输出方式第72页/共100页在这种方式下，A口和B口仍作为数据的输入或输出口，同时要利用C口的某些位作为联络信号。2）工作方式工作方式 1 -选通输入选通输入/输出方式输出方式第73页/共100页STB：Strobe Input 输入选通信号，由外设提供，利用该信号可以将外设数据锁存于8255的端口锁存器中。A口和B口工作于方式 1，输入方式第74页/共100页IBF：Input Buffer Full 输入缓冲器满信号，有效时，表示已有一个有效的外设数据锁存于8255的端口锁存器中，CPU取走该数据前暂时不能向接口输入数据。A口和B口工作于方式 1，输入方式第75页/共100页INTR：Interrupt Request 中断请求信号，高电平有效。当外设将数据锁存于接口中，并且允许中断请求时，就会产生中断请求。A口和B口工作于方式 1，输入方式第76页/共100页STBIBFINTRRD输入数据输入数据A口和B口工作于方式 1，输入方式第77页/共100页OBF：Output Buffer Full 输出缓冲器满信号，表示端口引脚上已输出一个有效数据。A口和B口工作于方式 1，输出方式第78页/共100页ACK：Acknowlegement 外设响应信号，用来通知8255，外设已经接收到数据。A口和B口工作于方式 1，输出方式 ACK变低将使OBF变高。第79页/共100页INTR：Interrupt Request 中断请求信号，当外设已从接口中取走数据，并且接口允许中断时，INTR有效。A口和B口工作于方式 1，输出方式第80页/共100页WROBFA口和B口工作于方式 1，输出方式INTRACK第81页/共100页只有A口才能工作在方式2，A口工作于方式2时要利用C口的5位。3）工作方式工作方式 2 -双向输入双向输入/输出方式输出方式此时，B口只能工作在方式 0 或者方式 1.第82页/共100页 8255是可编程接口芯片，可通过改变控制字端口寄存器的值对端口的工作方式和C口各位的状态进行设置。6.82556.8255的控制字的控制字第83页/共100页8255共有两个控制字:这两个控制字共用一个端口地址，通过最高位来区别是那个控制字。1XXXXXXX0XXXXXXXC口置位口置位/复位控制字复位控制字工作方式控制字工作方式控制字第84页/共100页1D6D5D4D3D2D1D0工作方式控制字工作方式控制字第85页/共100页0D6D5D4D3D2D1D0C口置位口置位/复位控制字复位控制字第86页/共100页 8255初始化就是向控制字端口写入工作方式控制字，必要时也需写入C口置位/复位控制字。7.82557.8255的初始化的初始化MOV DPTR，#ControlPortMOV A,#ControlWordMOVX DPTR,A第87页/共100页例例.从从82558255的的PAPA口口输输入入8 8位位数数字字信信号号，送送PBPB口口输出，用输出，用K0-K7K0-K7控制控制L0-L7L0-L7的亮灭。的亮灭。第88页/共100页8255 A 端 口 地 址A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0端口端口端口地址0111111111111100Port A7FC0H0111111111111101Port B7FC1H0111111111111110Port C7FC2H0111111111111111控制字端口控制字端口 7FC3H第89页/共100页设置：A口方式0输入，B口方式0输出，C口输出，工作方式控制字为：80H第90页/共100页A_PORT EQU 7F00H;8255端口定义CTL_PORT EQU 7F03HORG 0000HLJMP MAINORG 0100HMAIN:MOV DPTR,#CTL_PORT MOV A,#80H MOVX DPTR,A ;8255初始化LOOP:MOV DPTR,#A_PORT MOVX A,DPTR ;从PA口输入数据 INC DPTR MOVX DPTR,A ;送PB口 SJMP LOOP END第91页/共100页1.1.用用74LS16574LS165扩展并行输入端口扩展并行输入端口 采用串行通讯方式扩展并行I/OI/O端口 P3.0(RXD):P3.0(RXD):数据引脚数据引脚P3.1(TXD):P3.1(TXD):输出同步移位脉冲输出同步移位脉冲S/LS/L (Shift/Load):0(Shift/Load):0并行输出并行输出;1;1移位移位.第92页/共100页2.2.用用74LS16474LS164扩展并行输出端口扩展并行输出端口 第93页/共100页7.4 7.4 单片机串行扩展总线接口技术 串行总线 2 2C C总线第94页/共100页 SPISPI是是Serial Serial Peripheral Peripheral interfaceinterface的的缩缩写写，即即串行外围设备接口串行外围设备接口。SPISPI是是一一种种高高速速的的、全全双双工工、同同步步的的串串行行总总线线接接口口，主主要要应应用用在在 EEPROMEEPROM、FLASHFLASH、实实时时时时钟钟、ADAD转转换换器器和和D/AD/A转换器等芯片中。转换器等芯片中。串行总线串行总线 第95页/共100页 SPISPI接接口口一一般般使使用用4 4条条线线：串串行行时时钟钟线线（SCKSCK）、主主机机输输入入/从从机机输输出出数数据据线线MISOMISO、主主机机输输出出/从从机机输输入入数数据线据线MOSIMOSI和低电平有效的从机选择线和低电平有效的从机选择线SSSS。第96页/共100页 I I2 2C C总总线线为为芯芯片片间间同同步步串串行行传传输输总总线线，只只使使用用两两根根信信号号线线：串串行行时时钟钟线线SCLSCL和和串串行行数数据据线线SDASDA，能能实实现现总总线线上各器件的全双工同步数据传送。上各器件的全双工同步数据传送。2 2C C串行总线串行总线 第97页/共100页 在在I I2 2C C总总线线上上可可以以挂挂接接各各种种类类型型的的外外围围器器件件，如如RAMRAMEEPROMEEPROM、日日历历时时钟钟、A AD D、D DA A，以以及及显显示示驱驱动动器器等。等。第98页/共100页END第99页/共100页感谢您的观看。第100页/共100页
