单片机的系统扩展技术.ppt
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1、第第8章章 单片机的系统扩展技术单片机的系统扩展技术 8.1 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 8.2 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 8.3 I/O口的扩展口的扩展系统扩展的含义系统扩展的含义 单片机中虽然已经集成了CPU、I/O口、定时器、中断系统、存储器等计算机的基本部件(即系统资源),但是对一些较复杂应用系统来说,有时感到以上资源中的一种或几种不够用,这就需要在单片机芯片外加相应的芯片、电路,使得有关功能得以扩充,我们称为系统扩展(即系统资源的扩充)。l所谓系统的扩展与配置一般说来有如下两项主要任务:l 第一项是扩大单片机的容量。由于芯片结构、引第一项是扩大单片机的容量。由于芯片结构
2、、引脚等关系,单片机内脚等关系,单片机内ROMROM,RAMRAM等功能部件的数量不可能很等功能部件的数量不可能很多、在使用中有时会感到不够。因此需要在片外进行扩展,多、在使用中有时会感到不够。因此需要在片外进行扩展,以满足实际系统的需要。以满足实际系统的需要。l 另一项是把系统所需的外设与单片机连起来,使另一项是把系统所需的外设与单片机连起来,使单片机系统能与外界进行信息交换。如通过键、单片机系统能与外界进行信息交换。如通过键、A/DA/D转换转换器、磁带机、开关等外部设备向单片机送入数据、命令等器、磁带机、开关等外部设备向单片机送入数据、命令等有关信息,去控制单片机运行,通过显示器、发光二
3、极管、有关信息,去控制单片机运行,通过显示器、发光二极管、打印机、继电器、音响设备等把单片机处理的结果送出去,打印机、继电器、音响设备等把单片机处理的结果送出去,向人们提供信息或对外界设备提供控制信号,这项任务实向人们提供信息或对外界设备提供控制信号,这项任务实际上就是单片机接口设计。际上就是单片机接口设计。l8.1 程序存储器的扩展程序存储器的扩展l单片机最小应用系统单片机最小应用系统:单片机的各种功能能满单片机的各种功能能满足应用系统的需要足应用系统的需要.l例例:8051/8751:由单片机和一些不能集成在芯:由单片机和一些不能集成在芯片内的晶体振荡电路、复位电路、电源部分组成。片内的晶
4、体振荡电路、复位电路、电源部分组成。应用特点是:应用特点是:l(1)全部)全部I/O口线均可供用户使用。口线均可供用户使用。l(2)内部存储器容量有限(只有)内部存储器容量有限(只有4KB地址空间)。地址空间)。l(3)应用系统开发具有特殊性。)应用系统开发具有特殊性。l 8031/8032:由单片机和:由单片机和外接外接的的ROM或或EPOM芯片和晶体振荡电路、复位电路、电源部芯片和晶体振荡电路、复位电路、电源部分组成。分组成。(如下图如下图)图图 8.1 MCS-51 单片机最小应用系统(单片机最小应用系统(8051、8751)图 8.2 MCS-51 单片机最小应用系统(8031、803
5、2)当单片机最小应用系统不能满足系统要求时当单片机最小应用系统不能满足系统要求时,就需要扩就需要扩展展ROM(或或EPOM)、RAM、I/O 口、口、D/A和和A/D转换及定时转换及定时/计数器等外围芯片。计数器等外围芯片。一般将外部总线变成微机三总线结构形式。一般将外部总线变成微机三总线结构形式。MCS-51的三总线:1)地址总线()地址总线(AB):):P2口提供高口提供高8位地址线(可自己位地址线(可自己 锁存)锁存)P0口提供低口提供低8位地址线(需加地址锁存器锁位地址线(需加地址锁存器锁存低存低8位的地址信息,位的地址信息,ALE正脉冲信号的下降沿控正脉冲信号的下降沿控制锁存时刻)制
6、锁存时刻)2)数据总线(DB):由P0口提供,是双向、输入三态控制的通道口 3)控制总线(CB):扩展系统时常用的控制信号为:ALE RESET注意:所有的外部芯片都是通过这注意:所有的外部芯片都是通过这3组总线进行扩展组总线进行扩展MCS-51单片机有四个单片机有四个I/O口,共口,共32条口线,但由于系条口线,但由于系统扩展的需要,真正能作为数据统扩展的需要,真正能作为数据I/O使用的就只有使用的就只有P1口和口和P3口的部分口线。口的部分口线。图图5.3 MCS-51系列单片机三总线结构系列单片机三总线结构 8.1 单片机程序存储器的扩展单片机程序存储器的扩展 MCS51系列单片机数据存
7、储器和程系列单片机数据存储器和程序存储器的地址空间是相互独立的。序存储器的地址空间是相互独立的。MCS51系列单片机具有系列单片机具有64K的程序的程序存储器寻址空间,以程序计数器存储器寻址空间,以程序计数器PC作为地作为地址指针,通过址指针,通过16位地址总线寻址位地址总线寻址 如果系统需要用到的存储器超过了单片如果系统需要用到的存储器超过了单片机本身具有的容量,就要进行片外程序存机本身具有的容量,就要进行片外程序存储器的扩展。储器的扩展。(主要是主要是EPROM和和EEPROM)8051/8751/89C51单片机:单片机:内部有最低内部有最低4KB地址空间的地址空间的ROM,扩展后,扩展
8、后64KB内、外程序存储器的地址是统一编排的,内、外程序存储器的地址是统一编排的,通过对通过对 引脚引脚 设置来确定是访问内部还是外部程设置来确定是访问内部还是外部程序存储器。序存储器。8031单片机:单片机:内部无内部无 ROM,必须外接程序存储器,地址为,必须外接程序存储器,地址为0000-FFFFH,应始终接地。应始终接地。注意:访问内部和外部程序存储器的指令不同注意:访问内部和外部程序存储器的指令不同 用用MOVC访问外部程序存储器访问外部程序存储器 有关有关EPROM?l EPROM(Erasable Programmable ROM,可擦除可,可擦除可编程编程ROM)芯片可重复擦除
9、和写入,解决了)芯片可重复擦除和写入,解决了PROM芯片芯片只能写入一次的弊端。只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征,芯片有一个很明显的特征,在其正面的陶瓷封装上,开有一个玻璃窗口,透过该窗口,在其正面的陶瓷封装上,开有一个玻璃窗口,透过该窗口,可以看到其内部的集成电路,紫外线透过该孔照射内部芯可以看到其内部的集成电路,紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据,完成芯片擦除的操作要用到片就可以擦除其内的数据,完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。擦除器。l l EPROM内资料的写入要用专用的编程器,并且往芯内资料的写入要用专用的编程器,并且往芯片中写内容时必须要加一
10、定的编程电压(片中写内容时必须要加一定的编程电压(VPP=1224V,随不同的芯片型号而定)。,随不同的芯片型号而定)。EPROM的型号是以的型号是以27开头开头的,如的,如2716是一片是一片EPROM芯片。芯片。l l EPROM芯片在写入资料后,还要以不透光的贴纸或芯片在写入资料后,还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住,以免受到周围的紫外线照射而使资料受胶布把窗口封住,以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。损。图图 8.4 EPROM扩展芯片扩展芯片2716的引脚图的引脚图 2716容量:2KB8位 程序存储器的扩展要解决的几个问题:.程序存储器的作用程序存储器的作用 存放程序代码或常数表
11、格存放程序代码或常数表格 .扩展时所用芯片扩展时所用芯片 一般用只读型存储器芯片(可以是一般用只读型存储器芯片(可以是 EPROMEPROM、E E2 2PROMPROM、FLASHFLASH芯片等)。芯片等)。.扩展电路连接扩展电路连接 用用EPROM 2716EPROM 2716、27322732等扩展程序存等扩展程序存 储器。储器。.存储器地址分析存储器地址分析单片机输出什么地址值时,可以单片机输出什么地址值时,可以 指向存储器中的某一单元。指向存储器中的某一单元。图 8.5 2716与8031的连接图 实例:实例:1.地址线:地址线:P0口分时提供口分时提供8位地址线位地址线A0-A7
12、 和数据线和数据线D0-D7的信息。的信息。ALE在在P0口出现地址信息时输出高电口出现地址信息时输出高电平(锁存),出现数据信息时输出低电平。平(锁存),出现数据信息时输出低电平。每个机器周期,每个机器周期,P0口发两次地址、数据信息,口发两次地址、数据信息,在在1个机器周期中个机器周期中ALE两次有效(锁存地址)两次有效(锁存地址)P2口输出高口输出高8位地址位地址A8-A15,在,在1个机器周期中个机器周期中更新更新2次次 即:每个机器周期中至多允许执行两字节的指令即:每个机器周期中至多允许执行两字节的指令2.数据线:P0口接存储器的8位数据线D0-D7 为片选信号输入端,低电平有效,表
13、示选中该EPROM 芯片,这里接地,表示常有效。从而确定所扩展存储器的地址空间范围。由图 可确定2716芯片的地址范围。方法是A10A0从全0开始,然后从最低位开始依次加 1,最后变为全1,相当于211=2 048个单元地址依次选通,称为字选。即 地址与单元是多对一的关系 3.控制线控制线:ALE 接至地址锁存器锁存信号接至地址锁存器锁存信号当采用当采用8031、8032时,时,应应接接地地接存储器读信号接存储器读信号5.1.3 EEPROM 的扩展的扩展 l EEPROM 是一种电擦除可编程只读存储器,是一种电擦除可编程只读存储器,掉电后信息不会丢失,掉电后信息不会丢失,+5V电源下电源下
14、就可以进行编就可以进行编程,而且对编程脉冲宽度一般无特殊要求。程,而且对编程脉冲宽度一般无特殊要求。EEPROM存储器主要存放数据,可在线编程,并存储器主要存放数据,可在线编程,并且在断电的情况下保持修改的结果。且在断电的情况下保持修改的结果。l 在智能化仪器仪表、控制装置等领域都普遍应在智能化仪器仪表、控制装置等领域都普遍应用。用。EEPROM 种类很多,主要有串行种类很多,主要有串行EEPROM 和并行和并行EEPROM 图图 8.6 2864A管脚管脚图 8.7 2864A与8031的接口电路1.地址线:地址线:P0口分时提供口分时提供8位地址线位地址线A0-A7 和数据线和数据线D0-
15、D7的信息。的信息。ALE在在P0口出现地址信息时输出高电平(锁存),出现口出现地址信息时输出高电平(锁存),出现数据信息时输出低电平。数据信息时输出低电平。2.数据线数据线:P0口接存储器的口接存储器的8位数据线位数据线D0-D73.控制线控制线:ALE 接至地址锁存器锁存信号接至地址锁存器锁存信号内外程序存储器选择信号内外程序存储器选择信号接存储器读信号接存储器读信号片选信号,这里是线选法片选信号,这里是线选法8.2 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 MCS-51单片机的内部数据存储器容量一般为单片机的内部数据存储器容量一般为128B256B,可以作为工作寄存器、堆栈、标志和数据缓冲区使,
16、可以作为工作寄存器、堆栈、标志和数据缓冲区使用。用。对数据量较小的系统,内部对数据量较小的系统,内部RAM已足够;已足够;当数据量较大时,就需要扩展当数据量较大时,就需要扩展RAM数据存储器,扩展容量数据存储器,扩展容量最大可达最大可达64KB。最常用的最常用的RAM器件是器件是SRAM,与动态,与动态RAM相比,静态相比,静态RAM无须考虑保持而设置的刷新电路,故扩展电路简单。无须考虑保持而设置的刷新电路,故扩展电路简单。但静态但静态RAM是通过有源电路来保持存储器中的数据,因此是通过有源电路来保持存储器中的数据,因此要消耗较多的功率,价格也较高。要消耗较多的功率,价格也较高。8.2.1 单
17、片机单片机RAM概述概述1.静态静态RAM芯片芯片 图 8.9 6264 管脚图 I/O 07:数据线A0A12:地址线CE、CE:片选线OE:输出使能WE:写入使能VCC、GND:电源NC:未使用6116、6264、62256引脚功能如下:引脚功能如下:A0Ai:地址输入线,:地址输入线,i=10(6116,12(6264),),(62256)。)。O0O7:双向三态数据线。:双向三态数据线。:片选信号输入线,低电平有效。:片选信号输入线,低电平有效。6264的的26脚(脚(CE2)为高电平,且为高电平,且 为低电平时才选中该片。为低电平时才选中该片。:选通信号输入线,低电平有效。选通信号输
18、入线,低电平有效。:写允许信号输入线,低电平有效。:写允许信号输入线,低电平有效。Vcc:主电源,电压为:主电源,电压为5V;GND:接地端。:接地端。2.6264的工作方式的工作方式 图 8.10 MCS-51 数据存储器的扩展示意图 8.2.2 SRAM扩展实例扩展实例图 8.11 扩展6264 静态RAM 注意注意:访问内部和外部存储器时访问内部和外部存储器时,应分别使用应分别使用MOV和和MOVX指令指令.外部数据存储器的两个数据区外部数据存储器的两个数据区:1)低低8位地址线寻址的外部数据区,寻址空间为位地址线寻址的外部数据区,寻址空间为256个字节,可通过个字节,可通过Ri(R1或
19、或R2)8位寻址,位寻址,Ri内内存放外部存放外部RAM的地址号的地址号例:例:MOVX A,Ri (读指令)(读指令)MOVX Ri,A (写指令)(写指令)若数据量不大,一般采用该寻址方式若数据量不大,一般采用该寻址方式2)16位地址线寻址的外部数据区位地址线寻址的外部数据区 当外部数据容量较大,要访问当外部数据容量较大,要访问RAM单元的地址单元的地址大于或等于大于或等于256时,采用时,采用DPTR寄存器的寄存器的16位寻址,位寻址,可寻址可寻址216=64KB单元,单元,DPTR 内存放访问的外部内存放访问的外部RAM单元的单元的16位地址号。位地址号。例:例:MOVX A,DPTR
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