8-单片机系统扩展设计教学课件

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1、8 单片机系统扩展设计单片机系统扩展设计6、法律的基础有两个，而且只有两个公平和实用。伯克7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。歌德8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。亚里士多德9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。查科尔顿10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。德谟耶克斯80C51系列单片微机的三总线结构系列单片微机的三总线结构6单片机控制信号线单片机控制信号线ALE输出，地址锁存，锁存P0口输出的低8位地址信号PSEN 输出，程序存储器选通允许EA 输入，外部访问，选择片内或片外程序存储器RD、WR 输出，读/写，用于访问片外

2、数据存储器的读写控制7常用的串行总线有Motorola公司的SPI（Serial Peripheral Interface）总线Philips公司的I2C（Inter-Integrated Circuit）National Semiconductor公司的MICROWIRE总线现场总线CAN（Controller Area Network）总线等。串行总线的类型 返回8SPI总线接口 返回 SPI三线总线结构是一个同步外围接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信。全双工、三线同步传送；主、从机工作方式；可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位；发送完成中断标志；写冲突保护标志。按要求连接

3、SCLK、MOSI/MISO、SS三根线，即可通过SPI扩展各种I/O功能 9串行数据线（MISO、MOSI）1.1.主机输入从机输出数据线主机输入从机输出数据线（MISOMISO）和主机输出从机输入数据线）和主机输出从机输入数据线（MOSIMOSI），用于串行数据的发送和接收。），用于串行数据的发送和接收。2.2.数据发送时先传送数据发送时先传送MSBMSB（高位），（高位），后传送后传送LSBLSB（低位）。（低位）。3.3.在在SPISPI设置为主机方式时，设置为主机方式时，MISOMISO线是从线是从机数据输入线，机数据输入线，MOSIMOSI是主机数据输出线；是主机数据输出线；4.4

4、.在在SPISPI设置为从机方式时，设置为从机方式时，MISOMISO线线是从机数据输出线，是从机数据输出线，MOSIMOSI是从机数据输入是从机数据输入线。线。SPI总线引脚描述10串行时钟线（SCLK）1.用于同步从用于同步从MISOMISO和和MOSIMOSI引脚输入和输出数引脚输入和输出数据的传送。据的传送。2.2.在在SPISPI设置为主机方式时设置为主机方式时SCLKSCLK为输出；为输出；3.3.在在SPISPI设置为从机方式时，设置为从机方式时，SCLKSCLK为输入。为输入。4.4.在在SPISPI设置为主机方式时，主机启动设置为主机方式时，主机启动一次传送时，自动在一次传送

5、时，自动在SCLKSCLK脚产生脚产生8 8个时钟周期。个时钟周期。主机和从机主机和从机SPISPI器件中在器件中在SCLKSCLK信号的一个跳信号的一个跳变时进行数据移位，数据稳定后的另一个跳变变时进行数据移位，数据稳定后的另一个跳变时进行采样。时进行采样。11从机选择输入（SS）1.在从机方式时，输入端，用于使能在从机方式时，输入端，用于使能SPISPI从机进行数据传送；从机进行数据传送；2.2.在主机方式时，在主机方式时，一般由外部置为一般由外部置为高电平。高电平。3.3.通过通过SPISPI可以扩展各种可以扩展各种I/OI/O功能，包括：功能，包括：A AD D、D DA A、实时时钟

6、、实时时钟、RAMRAM、EEPROMEEPROM及并行及并行输入输出接口等。输入输出接口等。12单片机的SPI总线接口利用单片机方式0实现简化的SPI同步串行通信功能，RXD（P3.1）作为MOSI/MISO，TXD（P3.0）作为SCLK特点：1.SCLK极性和相位关系固定，传送速率固定，不能编程改变2.无从机选择输入（SS）端3.输入输出同一条线用软件设置数据传送方向4.传送数据位的顺序先低位，后高位。13I2C总线接口 返回1.I2C总线是两线协议，在器件之间使用两根信号线（SDA和SCL）进行信息串行传送，并允许若干兼容器件共享。2.SDA线称为串行数据线，传输双向的数据；SCL线称

7、为串行时钟线，传输时钟信号，用来同步串行数据线上的数据。3.I2C总线上的数据传送速率可达100kb/s以上。14I2C总线返回开漏结构开漏结构15挂接在挂接在I I2 2C C 总线上的器件，根据其功能可分为两种：总线上的器件，根据其功能可分为两种：主控器件和从控器件。主控器件和从控器件。主控器件主控器件：控制总线存取，产生串行时钟（：控制总线存取，产生串行时钟（SCLSCL）信）信号，并产生启动传送及结束传送的器件，总线必须由号，并产生启动传送及结束传送的器件，总线必须由一个主控器件控制。主控器件一般称主器件。一个主控器件控制。主控器件一般称主器件。从控器件从控器件：在总线上被主控器件寻址

8、的器件，它们：在总线上被主控器件寻址的器件，它们根据主控器件的命令来接收和发送数据。从控器件一根据主控器件的命令来接收和发送数据。从控器件一般称从器件。般称从器件。在由若干器件所组成的在由若干器件所组成的I I2 2C C 总线系统中，可能存在总线系统中，可能存在多个主器件。因此，多个主器件。因此，I I2 2C C 总线系统是一允许多主的系总线系统是一允许多主的系统。统。系统中的某一器件来说，有四种可能的工作方式：系统中的某一器件来说，有四种可能的工作方式：主发送方式、主接收式、从发送方式和从接收方主发送方式、主接收式、从发送方式和从接收方式。式。16I2C总线实现的主要功能 返回 在主控器

9、件和从控器件之间双向传送数据；构成无中央主控器件的多主总线；多主传送时，不发生错误；数据传送可以使用不同的位速率；串行时钟作为交接信号。17主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时被寻址的器件为从器件。当总线空闲时，SDA和SCL均为高电平。仅在总线空闲时，才能开始数据传输。每次数据传送由起始信号启动，由停止信号终止I2C总线的数据传输协议 返回总线总线不忙不忙开始数开始数据传送据传送停止数停止数据传送据传送18总线上传送的数据以字节为单位，高位在先。主器件发送的第一个字节为从地址，其中高7位为器件地址的片选信号，最低位是决定数据传送方向的方向位，=1表示主器件读，=0表示

10、写。从器件每收到一个数据字节，必须返回1个低电平应答信号（Acknowledge），表示为ACK或A=0；I2C总线的数据传输协议 返回19主器件在收到从器件发送的每个字节之后，也必须产生一个应答信号。在执行读操作、接收最后一个字节后，主接收器不发送ACK=0，而是发一个高电平信号，表示为NO ACK，此时，从发送器让出SDA线，使其成为高电平，以使主器件发送停止条件。SDA线上会发生竞争现象，总线竞争可能在地址或数据位上进行，总线控制完全由竞争的主器件送出的地址和数据决定。I2C总线的数据传输协议 返回20SPI和I2C总线的比较21SPISPI和和I I2 2C C总线使用时各有所长。总线

11、使用时各有所长。二线产品用于要求二线产品用于要求I I2 2C C总线、抗噪总线、抗噪声性能、微控制器的声性能、微控制器的I/OI/O口线受限制的场合，口线受限制的场合，或要求一条指令将多个字节存入写缓冲器或要求一条指令将多个字节存入写缓冲器的场合。的场合。三线总线三线总线SPISPI规程适用于高时钟频率要求，规程适用于高时钟频率要求，或或 I6I6位数据宽度的应用场合。位数据宽度的应用场合。二种串行通信总线都采用单电源二种串行通信总线都采用单电源(2(22.5V)2.5V)供电，都具有低电流、低功耗、价供电，都具有低电流、低功耗、价格低廉等特点。格低廉等特点。22 I2C总线可十分方便地用来

12、构成由单片机和外围器件组成的单片机系统，器件间总线简单，可扩展性好。在集成了I2C总线的单片机中，可以直接用I2C总线来进行系统的串行扩展；对于MCS-51系列单片机，大多数没有I2C总线接口功能，可采用软件模拟双向数据传送协议的方法，来实现系统的串行扩展。基于I2C总线的单片机应用系统中，单主结构占绝大多数，没有总线竞争与同步问题，只有作为主器件的单片机对I2C总线器件的读/写操作单片机的I2C总线接口 23通常把半导体存储器分为易失性存储器和非易失性存储器 1）EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）或E2PROM：电可擦除可编程ROM。

13、2）Flash Memory：Intel和Toshiba公司20世纪80年代首先推出的可快速擦写ROM。3）BBSRAM（Battery Backed SRAM）：Dallas Semiconductor公司的电池后备供电的静态存储器，掉电后信息可保存10年。4）FRAM（Ferroelectric RAM）：Ramtron公司研制的铁电存储器。（100亿1亿亿次写）存储器扩展技术存储器扩展技术 241）集成度不断提高、容量不断增大。基于亚微米级工艺的DRAM芯片容量已达到Gbit数量级。2）存取速度不断提高。一般把存取时间小于35ns的存储器称为高速存储器，目前SRAM的存取时间可达到1ns

14、。3）低电压和低功耗。低电压存储器采用的工作电压有33.3V、2.5V、1.51.8V甚至低于1V。4）存储器带有串行总线接口，可大大减少芯片间接线。存储器发展趋势存储器发展趋势 25按照总线连接方式，MCS-51单片机扩展存储器可分为并行扩展和串行扩展。基本方法是：按照单片机和不同存储器芯片的时序，来完成硬件连接和软件编程。存储器的基本操作控制包括片选控制和读写操作控制。存储器扩展的基本方法存储器扩展的基本方法 26串行接口扩展时，通常采用I/O口来选择相应的存储器，地址信息包含在串行协议中。采用并行接口时，片选的方法有线选法：如果芯片数较少，只需要用单片机的高位地址线分别接到各个芯片的片选

15、端即可。这样不需另加电路，但地址空间可能是不连续的。译码选通法：在扩展芯片数目较多或要求连续的地址空间时，采用译码器来译码产生片选信号。单片机并行扩展时，高位地址线可能有空闲（P2口高位），但已不适宜简单地作I/O线使用。存储器片选控制存储器片选控制 27扩展片外数据存储器的电路扩展片外数据存储器的电路 28扩展片外程序存储器的电路扩展片外程序存储器的电路 29扩展片外程序和数据存储器扩展片外程序和数据存储器30采用串行扩展采用串行扩展16kB16kB存储器存储器 利用软件方真实现I2C可挂接8片FM24C64是采用先进的铁电技术制造的非易失性高速写，高擦写次数31对输入/输出口功能的扩展，可

16、以利用简单的TTL电路或MOS电路，也可以使用结构较为复杂的可编程接口芯片。TTL电路有54系列军品级器件、民品74LS系列；MOS中常用CMOS电路，如74HC系列。典型的可编程接口器件是Intel公司及其兼容的接口芯片：可编程并行接口（8155、8255）、可编程通用同步/异步通信接口（8251）、可编程定时器/计数器（8253）、可编程中断控制器（8259）及可编程键盘显示接口（8279）等。并行扩展并行扩展I/OI/O接口接口 32I/OI/O口与片外口与片外RAMRAM统一编址统一编址 把扩展的I/O口挂接在片外数据存储器空间，因而，I/O口的输入、输出指令也就是片外数据存储器的读/

17、写指令。其特点为：数据传输利用的是P0口，因此扩展接口均是8位口，传输数据简便 33利用利用I/O口线来选择口线来选择I/O和存储器和存储器 采用此方法一般是通过MCS-51单片机P1口的I/O口线来选择外部I/O或RAM。虽然CPU的地址、数据和读写信号对于I/O和RAM是等同的，但通过P1口线状态的不同可以把二者区分开来。34 串行接口有多种总线和丰富的接口芯片，以PHILIPS公司I2C总线8位远程I/O扩展器PCF8574为例，说明I2C总线扩展I/O接口的方法。串行扩展串行扩展I/OI/O接口接口 35循环扫描程序1.调开始条件 10.调开始2.设置8574读方式 11.设置8574

18、写方式 3.调主器件发控制字节 12.调主器件发控制字节4.调检查应答位 13.调检查应答位 5.有错，转处理错 14.有错，转处理错6.调读开关状态数据 15.取出数据低4位7.暂存 16.调主器件发数据字节8.读结束，主器件发NOACK17.有错，转处理错 9.调停止条件 18.调停止条件 19.循环36 当单片机系统外部中断源超过2个时，可以利用82C59中断控制器来扩展，或将这些外部中断源利用OC门进行“线或”后，接到单片机的外部中断请求输入端（或），就可完成扩展。外部中断源的扩展外部中断源的扩展 37例：扩展例：扩展16K*816K*8位片外程序存储器位片外程序存储器 在电路中在电路

19、中 EA EA 是接高电平的。是接高电平的。27128A27128A是是16K16K容量的容量的EPROMEPROM，所以用到了，所以用到了1414根地址线根地址线A0A0A13A13。系统中只扩展了一片程序存储器，。系统中只扩展了一片程序存储器，所以所以27128A27128A的片选端可直接接地，一直有的片选端可直接接地，一直有效。效。3839在图中，采用线选法寻址。在图中，采用线选法寻址。当当 P2.7=0P2.7=0时访问片时访问片(0),(0),地址范围为地址范围为6000H6000H7FFFH7FFFH；当当P2.7=lP2.7=l时访问片时访问片(1),(1),地址范围为地址范围为

20、E000H E000H FFFFHFFFFH。40利用利用64K8EPROM64K8EPROM及及32K8SRAM32K8SRAM芯片扩展程芯片扩展程序存储器和数据存储器，请画出它们与序存储器和数据存储器，请画出它们与80318031单片机的硬件连接图，并指出每片芯单片机的硬件连接图，并指出每片芯片的地址范围。片的地址范围。41作业P190：1、10 4256、书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉。库法耶夫57、生命不可能有两次，但许多人连一次也不善于度过。吕凯特58、问渠哪得清如许，为有源头活水来。朱熹59、我的努力求学没有得到别的好处，只不过是愈来愈发觉自己的无知。笛卡儿60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。左拉