C51单片机的系统扩展.ppt

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1、第8章 89C51单片机的系统扩展,8.1 程序存储器的扩展 8.2 数据存储器的扩展 8.3 89C51单片机片选方法简介 8.4 FLASH存储器的扩展 8.5 并行I/O接口的扩展,单片机内部的ROMRAM容量定时器I/O接口和中断源等资源往往有限，在实际应用中通常不够用，因此需要对单片机的资源扩展。 首先需要扩展的是程序存储器和数据存储器。单片机内部虽有一定数量的存储器，但常常不能满足实际需要，因此要求从外部进行扩展。 其次需要扩展的是输入/输出接口。单片机的主要用途是控制，因此它必须与外部设备打交道，也就是说它需要与外部的输入输出设备连接。单片机内部虽然设置了4个并行I/O口，用来与

2、外围设备连接，但当外围设备较多时，I/O口就显得不够用。在大多数情况下，89C51系列单片机都需要扩展输入输出接口。,8.1 程序存储器的扩展,8.1.1 程序存储器的分类 8.1.2 典型程序存储器芯片介绍 8.1.3 典型程序存储器的扩展方法 8.1.4 典型程序存储器扩展电路,8.1.1 程序存储器的分类,程序存储器ROM也称只读存储器。所谓只读存储器是指ROM中的信息，一旦写入以后，就不能随意更改，特别是不能在程序运行过程中再写入新的内容，只能在程序执行过程中读出其中的内容。,89C51单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间是64K字节（0000HFFF

3、FH），其中89C51片内含有4K字节的Flash ROM。当片内ROM不够用时，需要扩展程序存储器。,1、掩膜编程的ROM 其编程由半导体厂家完成，根据用户提出的存储内容决定MOS管的连接方式，把存储内容制作在芯片上，用户不能更改所存入的信息。 特点：适合于大批量生产，结构简单、集成度高。成本高，只有大量生产定型ROM时才合算。 可用来存储一些标准程序：监控程序、汇编程序、BASIC语言的解释程序等；也可用来存储数学用表（正弦函数表、平方根表等）、代码转换表、逻辑函数表等。,2、现场编程ROM（PROM） 也称可编程只读存储器PROM，指PROM的编程可在工作现场一次完成。出厂时并未存储任何

4、信息，用户可根据自己的需要把信息写入，然后才能在系统中使用。但信息一旦写入，不能更改。 3、可改写、可编程ROM（EPROM） 用户对EPROM可自行写入信息，也可将信息全部擦去，重新写入。RPROM分为两种： 紫外线擦除 称UVEPROM； 电擦除 称EEPROM。 UVEPROM：用电信号编程，用紫外线擦除信息。 EEPROM ：用电信号编程，用电信号擦除信息。 4、Flash ROM 从EEPROM中分支出来，可电擦除，电写入，非易失性的闪速存储器。,8.1.2 典型程序存储器芯片介绍,1、2716RPROM存储器 2716是2K8位紫外线擦除电可编程只读存储器。单一+5V供电，最大功耗

5、25mW，维持功耗132mW，读出时间最大450ns，引脚见图8-1。,2716的5种工作方式见表8-1。,2、2732EPROM存储器,2732是4K8紫外线擦除电可编程只读存储器。单一+5V供电，最大工作电流为100mA，维持电流为35mA，读出时间为250ns。引脚如图8-2。,2732的5种工作方式见表8-2。,3、2764EPROM存储器,2764是8K8位紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电，最大工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns。引脚见图8-3。,2764A的5种工作方式见表8-3。,4、27128AEPROM存储器,27128A是16K8位

6、紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流最大为100mA，维持电流为40mA，读出时间最大为250ns。引脚见图8-4。,27128A的5种工作方式见表8-4。,5、27256EPROM存储器,27256是32K8位紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流为40mA，读出时间最大为250ns。引脚见图8-5。,27256的5种工作方式见表8-5。,6、并行EEPROM存储器2817A,2817A是新一代电擦除电可编程只读存储器，存储容量为2K8位，采用单一+5V供电，工作电流为150mA，维持电流为55mA，读出时间最大为250ns。引脚见图8

7、-6。,2817A的3种工作方式见表8-6。,7、并行EEPROM存储器2864A,2864A是8K8位电擦除可编程只读存储器，最大工作电流160mA，维持电流为60mA，读出时间最大为250ns，片内有“页缓冲器”，允许快速写入,内部提供全部定时，给出查询标志。,2864A的4种工作方式见表8-7。,8.1.3 典型程序存储器的扩展方法,1、扩展一片EPROM,（a）扩展一片RPROM,2、扩展两片EPROM,（b）扩展两片RPROM 图8-8 典型程序存储器的扩展方法,3地址锁存器 在基本扩展电路中，都用到了地址锁存器。这是因为P0口是数据总线和低8位地址总线分时复用口，P0口输出的低8位

8、地址必须用地址锁存器进行锁存。常用地址锁存器有74LS373、8282和74LS273等，其引脚图如图8-9所示。,74LS273是带清除端的8D锁存器，只有清除端CLEAR为高电平时，才有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，且为上升沿锁存。 74LS373和8282都是带有三态门的8D锁存器。其原理结构图如图8-10所示。 图8-10 74LS373和8282的原理结构图,当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外电路呈高阻状态。因此74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号端为低电平，这时，当G输入端为高电平时

9、，锁存器输出端（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）状态相同；当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入端数据锁存入1Q8Q。 由图可以看出，三种锁存器管脚互不兼容，74LS373和8282的锁存控制端G和STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。而74LS273的CLK是上升沿锁存，为了满足单片机地址锁存的时序，ALE端输出的锁存控制信号必须加反相器才能与CLK相连。,使用74LS373、8282或74LS273作地址锁存器与单片机P0口的连接方法如图8-11所示。 图8-11 单片机P0口与地址锁存器的连接方法,8.1.4 典型程序存储器扩展电路,1、扩展2

10、KB的EPROM,图8-12 扩展2KB的程序存储器,2716的寻址范围见P179-表8-8。 89C51内部有4K Flash ROM，故EA接高电平，系统从内部开始先读4K的程序，后自动转到外部程序存储器。片外ROM的起始地址应安排在1000H。 P2空余的几根线已不宜做通用I/O口线，否则给软件编写带来麻烦。只好作为其他芯片的片选线或译码器的输入。,2、扩展4KB的EPROM,图8-13 扩展4KB的程序存储器,图8-14（a）为扩展一片27128的方案（P180）。其地址范围见表8-10；图8-14（b）扩展了2片2764。,3、扩展16KB的EPROM,4、程序存储器EEPROM的扩

11、展,图8-15 扩展2817A并行EEPROM,2817与89C51的硬件连接如图8-15。该接法把EEPROM既作为程序存储器，也作为数据存储器。 片外RAM与RAM之间传送数据块的程序，改为从RAM向EEPROM传送数据块的程序，增加一条判别接到P1.0脚上的RDY/BUSY信号电平的判位跳转指令（WAIT：JNB P1.0，WAIT）。 将2817的7000H-77FFH的单元改成0EEH。 ORG 0100H START：MOV DPL，#00H MOV DPH，#70H LOOP： MOV A，#0EEH MOVX DPTR，A WAIT： JNB P1.0，WAIT,INC DPT

12、R MOV A，DPH CJNE A，#78H，LOOP RET,图8-16 扩展2864A并行EEPROM,8.2 数据存储器的扩展,89C51片内有128字节的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128字节的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部数据存储器。89C51系列单片机最大可扩展64K字节。常用的数据存储器有静态数据存储器RAM和动态数据存储器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以一般采用静态RAM，如SRAM 61166264等。,8.2.1 典型数据存储器的扩展方法,图8-17 扩展外部RAM的电路结构框图,8.2.2 典型数据存储

13、器扩展电路,图8-18 扩展6116静态RAM,对应图819的线路，若采用“MOVX DPTR”类指令访问外部RAM时，P0和P2口的16根线同时用来传递地址信息。所以89C51余下的5根P2.3-P2.7已无法做通用I/O口线使用了。 如果仍希望使用它们做通用I/O口，可用I/O输出方法由P2.0-P2.2口送出高3位地址（同时保留P2.3-P2.7口的信息），采用“MOVX Ri”指令来送出低8位地址。 SUBRD:MOV A,#addrH ；高3位地址送A MOV R0,#addrL ；设置低8位地址 ANL P2,#11111000B ；保留P2.3-P2.7内 容，清P2.0-P2.

14、2 ORL P2,A ；P2.0-P2.2送出高3位地址 MOVX A,R0 RET,图8-18 扩展6264静态RAM,8.3 89C51单片机片选方法简介,当单片机控制系统采用多片存储器芯片时，比较简单的一种方法是采用线选法寻址。 线选法的特点是连接简单，不必专门设计逻辑电路，在简单的场合有实用价值，只是芯片占的空间不紧凑，地址空间利用率低，并且可作片选的高位地址线有限，只能连接几个芯片。,8.3.1 线选法,图8-22 线选法扩展16K字节RAM和16K字节EPROM电路图,译码法是由译码器组成译码电路,译码电路将地址空间划分若干块,其输出端分别选通一片存储器芯片,既充分利用存储空间,又

15、避免空间分散的缺点. 常用译码器有74LS138和74LS139.,8.3.2 译码法,图中，P2.5P2.6分别选通IC1、IC2、IC3、IC4，对应寻址范围 IC1（ROM）：4000H5FFFH IC2（ROM）：2000H3FFFH IC3（RAM）：4000H5FFFH IC4（RAM）：2000H3FFFH,74LS138是”3-8”译码器,具有3个选择输入端, 可组成8种输入状态.8个输出端,分别对应8种 输入状态中的1种,0电平有效.也就是说,仅允 许一个输出端为0电平,其余全为1.,74LS138真值表,74LS139是”2-4”译码器,具有1个使能端,0电 平选通;有两个

16、输入,4个译码输出,输出0电 平有效.,74LS139真值表,74LS139译码器扩展存储器实例,8.4 FLASH存储器的扩展,FLASH存储器是一种可擦除可改写的只读程序存储器。闪速存储器按接口的种类可分为3种类型： （1） 标准的并行接口 这种芯片具有独立的地址线和数据线，在和CPU接口时，基本上和一般的存储器接口相似，只要三类总线分别连接就可以。这种类型的芯片种类最多，如Intel公司的A28F系列，AMD公司的Am28F和Am29F，Atmel公司的AT29系列等。,8.4.1 FLASH存储器的分类,（2） NAND（与非）型闪存 NAND型闪存也是一种并行接口芯片，但是在接口时采

17、用了引脚分时复用的方法，使得数据地址和命令线分时复用I/O总线。结果，使得接口的引脚数可以减少很多。当然，要特别注意这种芯片的接口时序，以保证和CPU有正确的连接。三星公司和日立公司都有NAND型FLASH存储器的产品。 （3） 串行接口的FLASH存储器 这种产品只通过一个串行数据输入和一个串行数据输出来和CPU接口，因此和CPU的连接非常简单。但由于数据和地址都是由同一条线来传输，要用不同的命令来区分是地址操作还是数据操作。美国National Semiconductor公司有串行接口的FLASH产品。,典型FLASH存储器产品有AMD公司生产的16 Mbit位闪速存储器Am29F016B

18、；美国National Semiconductor公司的产品NM29A040/080（分别是4 Mbit和8 Mbit的串行FLASH存储器），Atmel公司的闪速存储器系列，容量从256 Kbit到4 Mbit，采用单一电源供电，并且可以选用几种不同的电源电压。,8.4.2 典型FLASH存储器芯片简介,1.并行FLASH芯片Am29F016B Am29F016B是AMD公司生产的16 Mbit闪速存储器，采用单一+5V电源供电，无论是编程还是擦除都使用同样的电源供电。访问速度分为70 ns，90 ns，120 ns和150 ns等级别。有独立的数据线和地址线，也有若干条控制线，用来控制芯片

19、的读写操作。 2.Atmel公司的FLASH芯片 Atmel公司的4 Mbit的FLASH芯片AT29C040是4Mbit的闪速存储器。 3.串行FLASH芯片NM29A040/080 NM29A040/080是美国National Semiconductor公司的产品。芯片采用28引脚的封装，但实际使用的引脚只有6条。,FLASH存储器的容量一般都超过64KB。当FLASH存储器在89C51系统中使用时，既可以作程序存储器，也可以作数据存储器。因此89C51芯片和FLASH存储器连接时有两个问题要特别注意： （1）FLASH存储器既可以作为程序存储器使用，又可以作为数据存储器使用。 （2）8

20、9C51正常的寻址范围只有64KB，必须有适当的方法来对FLASH存储器中64KB以外的区域来寻址。否则FLASH存储器就无法被充分使用。,8.4.3 典型FLASH存储器的扩展,189C51和FLASH存储器AT29LV040A的连接,图8-26 89C51和AT29LV040A的连接,289C51和FLASH存储器Am29F016B的连接,图8-27 89C51和Am29F016B的连接,8.5 并行I/O接口的扩展,8.5.1 I/O接口电路的功能 8.5.2 简单并行I/O接口的扩展 8.5.3 可编程接口电路的扩展,8.5.1 I/O接口电路的功能,1.协调高速计算机与低速外设的速度

21、匹配问题 2.提供输入/输出过程中的状态信号 3.解决计算机信号与外设信号之间的不一致,8.5.2 简单并行I/O接口的扩展,89C51系列有4个8位的并行I/O口，P0、P1、P2、P3，32根I/O线。P0、P2口用于系统扩展，只有P1和P3的部分口线供用户使用，所以要进行扩展。其扩展的I/O口与外部RAM统一编址，每个扩展的接口相当于一个扩展的外部RAM单元，所以用MOVX指令。 扩展I/O接口所用芯片有两大类： （1）可编程I/O口芯片 （2）TTL、CMOS锁存器、三态门电路芯片 通过P0口扩展。,举例：简单I/O接口扩展电路,实现的功能： 按下任意键，对应的LED发亮 LOOP：M

22、OV DPTR，#7FFFH；数据指针指向扩 展I/O口地址 MOVX A，DPTR；从244读入数据，检测按钮 MOVX DPTR，A；向273输出数据，驱动LED SJMP LOOP,8.5.3 可编程接口电路的扩展,可编程接口：其功能可由指令来加以改变的接口芯片。 在89C51单片机中常用的两种接口芯片： 8255：可编程通用并行接口 8155：带256字节RAM和14位定时/计数器的可编程并行接口。 1.8255可编程并行I/O接口 1）8255结构 8255具有3个可编程并行I/O端口，A口B口和C口。这3个8位I/O端口的功能由编程决定，其组成框图及引脚见图8-29,图8-29 8

23、255内部结构与引脚,2）8255的引脚功能 8255有40个引脚，功能如下： 数据总线：D0-D7PA0-PA7PB0-PB7PC0-PC7，此32条数据线均为双向三态，其中D0-D7用于传送CPU与8255之间的命令与数据，PA0-PA7PB0-PB7PC0-PC7分别与ABC3个口对应，用于8255与外设之间传送数据。 控制线：RDWRRESET RD ：读信号，输入信号线，低电平有效。当这个引脚为低电平时，8255输出数据或状态信息到CPU，即CPU对8255A进行读操作。 WR ：写信号，输入信号线，低电平有效。当这个引脚为低电平时，8255接收CPU输出的数据或命令，即CPU对82

24、55A进行写操作。,RESET：复位信号，输入信号线，高电平有效。此引脚为高电平时，所有8255内部寄存器都清零。所有通道都设置为输入方式。24条I/O引脚为高阻状态。 寻址线：CSA0A1 ：片选信号，输入信号线，低电平有效。当这个引脚为低电平时，8255被CPU选中。 A0A1：这是两条输入信号线，通常一一对应接到地址总线的最低两位A0和A1上。当CS有效时，这两位的4种组合00011011分别用来选择ABC口和控制寄存器。所以一片8255共有4个地址单元。,3）8255的工作方式 8255有3种工作方式:方式0方式1方式2。 方式0（基本输入/输出方式）：方式0不需要任何选通信号。A口B

25、口及C口的高4位和低4位都可以被设定为输入或输出。作输出口时，输出的数据被锁存；作输入口时，输入的数据不锁存。 方式1（选通输入/输出方式）：在这种方式下，ABC三个口将被分为两组。A组包括A口和C口的高4位，A口可由编程设定为输入口或输出口，C口的高4位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B组包括B口和C口的低4位，B口可由编程设定为输入口或输出口，C口的低4位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号。A口和B口的输入数据或输出数据都被锁存。,方式2（双向总线方式）：在这种方式下，A口为8位双向总线口，C口的PC3-PC7用来作为输入/输出的控制同步信号。应注意的是，只有A口允许作为双

26、向总线口使用，这时B口和PC0-PC2则可编程为方式0或方式1工作。 4) 8255的控制字 8255工作方式的选择是通过对控制口输入控制字（或称命令字）的方式实现的。控制字有方式选择控制字和C口置位/复位控制字。 方式选择控制字 方式选择控制字的格式与定义如图8-30（a）所示。,图8-30 8255控制字的格式与定义,5) 89C51单片机与8255的接口 89C51单片机与8255的接口比较简单，如图8-31所示，8255的片选信号CS及口地址选择线A0A1分别由89C51的P0.7和P0.0P0.1经地址锁存后提供。故8255的ABC口及控制口地址分别为FF7CHFF7DHFF7EHF

27、F7FH。8255的D0-D7分别与89C51的P0.0-P0.7相连。8255的复位端与89C51的复位端相连，都接到89C51的复位电路上。另外89C51的RDWR与8255的RDWR一一对应相连。,图8-31 89C51与8255的接口电路,2.8155可编程并行I/O接口,1）8155结构及引脚 8155有3个I/O端口：A口B口C口，其中，C口是6位；有1个14位可编程定时/计数器和256字节的静态RAM，其组成框图及引脚见图8-32。,8155共有40个引脚，其功能如下： 地址数据线：AD0-AD7 AD0-AD7是低8位地址和数据线共用输入口，当ALE=1时，输入的是地址信息，否

28、则是数据信息。所以AD0-AD7应与89C51的P0口相连. 端口线：PA0-PA7PB0-PB7、PC0-PC5 端口线PA0-PA7PB0-PB7用于8155与外设之间传送数据；PC0-PC5即可用于8155与外设之间传送数据，也可作为A口B口的控制信号线。 地址锁存线：ALE 在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CEIO/M的状态都锁存到8155内部寄存器。因此，单片机P0口输出的低8位地址信号不需要外接锁存器。,RAM或I/O选择线：当IO/M=0时，选中8155的片内RAM，AD0-AD7为RAM地址（00H-FFH）；若IO/M=1时，选中8155片内3个I/O端口

29、以及命令/状态寄存器和定时/计数器。 CS片选线：当CS为低电平时选中8155。 读写线：RDWR控制对8155的读/写操作。 定时/计数器的脉冲输入输出线： TIMER IN是外界向8155输入计数脉冲信号的输入端，TIMER OUT是8155向外界输出脉冲或方波的输出端。,2）8155的工作方式与基本操作 8155可作为通用I/O口，也可以作为片外256字节RAM及定时器使用。 作片外256字节RAM 作为256字节RAM使用时，将IO/M引脚置低电平，这时8155只能作片外RAM使用，其寻址范围由CE片选线（高位地址译码）和AD0-AD7决定，使用片外RAM的读/写操作指令“MOVX”。

30、 作扩展I/O口使用 8155作扩展I/O口时，IO/M引脚必须为高电平，这时PAPBPC的口地址低8位分别为01H02H03H（设地址无关位为0时）。 8155的I/O口工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器送命令字来实现的。命令字各位定义如图8-33所示。,图8-33 8155的命令寄存器格式,8155的工作状态由状态寄存器指出，与命令寄存器用同一个地址，只能读出不能写入。状态字格式如图8-34所示。,图8-25 89C51与8155的接口电路,图8-36为89C51与8155接口的一种方案。,根据图中IO/M和CE连接方法，P2.7=0，P2.0=0时，选中RAM单元，地址7E00H

31、-7EFFH；当P2.7=0，P2.0=1时，选中I/O口，这时的地址分布为： 7F00H 命令/状态字 7F01H A口 7F02H B口 7F03H C口 7F04H 定时器低8位 7F05H 定时器高6位和方式寄存器 若该8155担任某键盘显示接口，A口为基本输出，B口为基本输入，C口为输出，则命令字为00000101B=05H，方式设定如下：,MOV DPTR，#7F00H ；选中命令寄存器 MOV A，#05H ；命令字 MOVX DPTR，A ；命令字写入命令寄存器 作定时/计数器用 8155内部有一个14位减法器，在TIMER IN端输入计数脉冲，计满溢出时，由TIMER OUT

32、输出脉冲或方波。当TIMER IN接外部脉冲时为计数方式，接系统时钟时，可作定时方式。 定时/计数器由两字节组成，初值占14位，其余2位定义输出方式，格式如下： 地址 : 1 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 M2 M1 T13 T12 T11 T10 T9 T8 输出方式计数初值高6位,地址 1 0 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 计数初值低8位 其中M2M1两位用来定义定时/计数器的输出方式，见表8-18所示： 使用时，先把计数长度和输出方式装入定时器的两个字节。计数长度为2-3FFFH之间的任意值。然后通过命令寄存器的最高2位控制计数器的启动和停止。,使8155的定时/计数器作为方波发生器，TIMER OUT输出方波的频率为TIMER IN时钟频率的24分频，则初始化程序如下：,MOV DPTR，#7F04H;指向定时器低位字节寄存器 MOV A，#18H；给低位字节寄存器赋初值 MOVX DPTR,A INC DPTR；指向定时器高位字节寄存器 MOV A,#40H；设定时器为方式1 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#7F00H；指向8155命令寄存器 MOV A,#0C2H；设PB口为输出，PA、PC口为输入 MOVX DPTR,A；送入命令字，启动开始计数,本 章 到 此 结 束,