单片机系统扩展总线

单片机系统扩展总线 1. MCS-51单片机扩展结构特点 扩展都是通过接口来扩展，需要注意I/O口的结构特点。 ? I/O口的复用和多用 ? I/O口的复用：由于受到引脚数限制，P0口复用，既作低8位地址线，又作数据线，但分时使用，用ALE信号锁存切换。 ? I/O口的多用：P3口可作通用I/O口，在扩展时，具有“第二功能”。 P3.0 RXD P3.2 INT0 P3.4 T0 P3.6 WR P3.1 TXD P3.3 INT1 P3.5 T1 P3.7 RD ? 产生接口控制信号的指令 MCS-51无I/O专用指令，把I/O寄存器看成存储器的一部分，所以对I/O寄存器的操作都用数据传输指令。 ? 输入指令 MOV A,P1 MOV @Ri,P1 MOV Rn,P1 MOV direct,P1 MOVX A,@Ri MOVX A,@DPTR ? 输出指令 MOV P1,A MOV P1,@Ri MOV P1,Rn MOV P1,direct MOVX @Ri,A MOVX @DPTR,A 2. 扩展总线 由于数据线与低8位地址线复用P0口,为了把它们分离与片外芯片相连，通 常要加锁存器才能构成总线结构。 1. EPROM扩展 (1) 程序存储器有独立的地址空间(0000H～FFFFH)，可寻址范围64 kB。程序存储器与数据存储器共用地址总线和数据总线 (2) 对片内有 ROM/EPROM 的单片机，片内 ROM 与片外ROM采用相同的操作指令，片内与片外程序存储器的选择靠硬件结 构实现，即由EA的高低电平来选择。 (3) 虽然程序存储器与数据存储器地址重叠，但不会发生冲突。 因为程序存储器使用单独的控制信号和指令，用PSEN作为读操作信号，读取数据用MOVC查表指令。而读取数据存储器用RD信号和MOVX指令， (4) 随着大规模集成电路的发展，单片程序存储器的容量越来越 大，构成系统时所使用的EPROM芯片数量越来越少，因此地址选择 大多采用线选法，而不用地址译码法。 2. RAM扩展 MCS-51 系列单片机的片内RAM只有 128字节(51型)或256字节 (52型) ，如果还不能满足应用要求，就需要进行RAM扩展，扩展时要注意以下几点： (1) RAM与EPROM地址空间重叠(0000H～FFFFH)，寻址范围都为64 kB，但由于使用不同的控制信号和指令，RAM使用RD/WR控制线读/写，而 EPROM用PSEN作为读操作控制线，故共用地址 总线和数据总线不会发生冲突。 (2) I／O及外围接口与RAM实行统一编址，即任何扩展的I／O口及外设均占用RAM地址空间。 (3) 访问内部RAM和外部RAM，应选用不同的指令。 ? 当访问内部RAM时，使用MOV指令，可用寄存器间接寻址 或直接寻址 MOV A，＠Ri/direct MOV ＠Ri/direct，A ( i＝0，1) ? 当访问外部RAM时，只能使用MOVX指令和寄存器间接寻 址。两种情况 ?若访问外部RAM的首页，即前256字节，可用下述两条指令： MOVX A，＠Ri MOVX ＠Ri，A ( i＝0，1) ?若访问整个64 k外部RAM ，则应用下述两条指令： MOVX A，＠DPTR MOVX ＠DPTR，A 若当前DPTR数据指针另有它用，又需访问整个64 k外部RAM，这时低8位地址仍用Ri ( i＝0或1)寄存器间接寻址，而高8位可采用预先通过P2口输出地址码的方法。例如： MOV P2，#02H ；P2口预置高位字节地址02H MOV R1，#25H ；低8位地址25H送R1 MOVX A，＠R1 ；将0255H内容送A 或 MOVX ＠R1，A ；将A内容送0255H单元 3. 片选方法及其地址空间 在一个较复杂的应用系统中，有时需扩展多片存储器。多片扩展 时，各片的数据线、地址线和控制线都并行挂接在系统三总线上，但 每片的片选信号CE要分别处理。 产生片选控制信号的方法有两种，即线选法和译码法。 (1) 线选法 所谓线选法，即用所需的低位地址线进行片内存储单元寻址，余 下的高位地址线可分别作不同芯片的片选信号，当某芯片对应的片选 地址线输出有效电平时，该芯片被选中，作选通操作。 下图为采用线选法扩展3片 2764A 的电路原理图。 从图可知，扩展3片2764A除CE片选信号外，其余完全同8031扩展一片2764A的电路。图中三片2764A的三个片选端CE分别与8031的高位地址线P2.5、P2.6和P2.7相连。当A13、Al4、A15分别为低电平时，选中对应的2764A芯片。因此三片存储器各片的 地址范围是： 2764A(1)地址范围：C000H～DFFFH 2764A(2)地址范围：A000H～BFFFH 2764A(3)地址范围：6000H～ 7FFFH 由此可见，该扩展系统的3片2764A，占用了全部16根地址总线，但寻址的范围之和却只有24 KB，且地址范围不连续。实际上浪 费了较大的地址空间。因此线选法适用于系统中存储器和接口资源较 少的情况。 ? 译码法 所谓译码法是指由低位地址线进行片内寻址，高位地址线经过译 码器译码产生不同芯片的片选信号。译码法又分为全译码和部分译码 两种方式。 全译码方式是将所余的高位地址线全部参与译码，即作为译码器 的输入线，译码器的输出作为片选线。在全译码片选方式下，每个芯 片的地址范围是唯一的，不存在地址重叠问题。 部分译码方式是取所余高位地址线中的部分线参与译码，译码器 的输出作片选线。这种方式下，由于未参与译码的高位地址线状态是 不确定的，使得各芯片的地址不唯一，存在着地址重叠。 在译码法中，常用译码器有74LSL38和74LS139等 。 74LS138是“3-8”译码器，有3个选择输入端，对应8种输入状态。输出端有8个，每个输出端分别对应8种输入状态中的1种，低电平有效，即对应某一种输入状态，仅允许1个输出端为低电平，其余全 为 l 。另外还有3个片选控制引脚 G1、G2A 和 G2B，只有当同时满足G1＝1、G2A＝0和 G2B＝0时，才能选通译码器，否则译码器 无输出有效。 74LS139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个片选端1/2G ，低电平选通；有2个选择输入(A、B)，4个译码输出(Y0～Y3 )，输出低电平有效。 这是采用74LS139译码器扩展3片2764A的电路原理图。 在应用系统中，通常需要使用较多的键盘和LED数码管显示器，就需要扩展I／O口来实现 。 MCS-51单片机有32根I/O线，如果P0～P2口已用于扩展，用户只能用P1和部分P3口作为I/O线，不够用就需要扩展I/O口。 按 MCS-51 的结构，扩展的 I／O 口采取与外部 RAM统一编址方法，即两者合用64 k地址空间。因此，CPU可以像访问外部RAM那样访问外部I／O口，对I／O口进行输入／输出操作。 I／O口扩展芯片主要有通用可编程并行接口芯片和TTL、CMOS锁存器、缓冲器电路芯片两大类。 常用的可编程并行接口芯片有 ? 8255 可编程并行接口: 含三个8位并行接口PA、PB和PC口。 ? 8155/56 （CE/CE） 可编程多功能接口: 含三个并行接口PA(8)、PB(8)和PC(6)口 256个字节SRAM和1个14位定时器/计数器 1．8155的引脚及内部结构 8155芯片为40引脚双列直插封装，单一的+5V电源，其引脚及内部结构如图所示。 AD7～AD0：三态地址/数复用总线。与单片机的低8位地址/数据总线(P0口)相连。 IO／M：I／O口或RAM选择信号。当IO／M＝1时，选择8155的I／O口，AD7～AD0上的地址为I／O口地址。当IO／M＝0时，则选择8155的片内RAM，AD7～AD0上的地址为8155中RAM单元地址 (00H～FFH)。 CE：片选信号，低电平有效。 ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE，IO／M的状态都锁存到8155内部锁存器。因此P0口输出的低8位地址信号不需要外 接锁存器。 RD：读选通信号，控制对8155的读操作。 WR：写选通信号，控制对8155的写操作。 PA 7～PA0：8位通用I／O口，其输入输出的流向可由程序控制。 PB7～PB0：8位通用I／O口，功能同A口。 PC5～PC0：既可作6位通用I／O口，也可作为A口和B口的控制信号线，这些可通过程序控制。 RESET：复位信号。该端施加大于640 n s的正脉冲时，将8155复位，复位后A口、B口、C口均置为输入方式。 TIMER IN：定时／计数器脉冲输入端。 TIMER OUT：定时／计数器输出端。 2. 8155的地址编码及工作方式 8155内部有7个寄存器，6个寄存器地址。 当CE=0、IO/M=1时，CPU对I/O口进行读写，访问那个寄存器 决定于低3位地址A2 A1 A0。 A2 A1 A0 选中的寄存器 地址 0 0 0 命令(写入)/状态(读出)寄存器 00H 0 0 1 PA口 01H 0 1 0 PB口 02H 0 1 1 PC口 03H 1 0 0 定时器低8位 04H 1 0 1 定时器高8位 05H 命令寄存器与状态寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入， 状态寄存器只能读出。 ? 命令寄存器：8位，只能写入 用 MOV DPTR, #XXXXXXXXXXXXX000B MOV A, #XXH MOVX @DPTR,A D3～D0 规定工作方式 D5、D4 分别规定PB口和PA口的中断 D7、D6 用于控制计数器 8155的A口、B口可工作于基本I／O方式或选通I／O方式。 C口可工作于基本I／O方式，也可以作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。当C口作为状态控制信号时，其各位的作 用如下： PC0：AINTR (A口中断请求线) PC1：ABF (A口缓冲器满信号) PC2：ASTB (A口选通信号) PC3：BINTR (B口中断请求线) PC4：BBF (B口缓冲器满信号) PC5：BSTB (B口选通信号) 在不同方式下，A口、B口及C口工作方式定义如下： PC2 PC1 工作方式 0 0 ALT1：C口为输入，A口，B口为基本输入/输出。 1 1 ALT2：C口为输出，A口，B口为基本输入/输出。 0 1 ALT3：A口为选通输入/输出， B口为基本输入/输出。 PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB， PC3～PC5为输出。 1 0 ALT4： A口、B口为选通输入/输出。 PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB， PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为BSTB。 ? 状态寄存器：7位，只能读出 8155内的状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。状态寄存器端口地址与命令寄存器相同， 低8位也是00H，状态寄存器的内容只能读出不能写入。 用MOV DPTR,#XXXXXXXXXXXXX000B MOVX A,@DPTR 状态寄存器的格式如下图所示。 ? 8155的定时器/计数器 8155内部的定时器/计数器是一个14位减法计数器，它对TIMER IN端输入脉冲进行减1计数，当计数结束 (即减1计数“回0”) 时，由TIMER OUT端输出方波或脉冲。 当TIMER IN接外部脉冲时，为计数方式；接系统时钟时，可作 为定时方式。 定时器控制分两层： ? 由写入命令寄存器的控制字高两位TM2和TM1决定启动、停止或装入常数。 ? 由写入计数器的两个寄存器内容决定计数长度和输出方式。 初值范围为0002H～3FFFH。 定时器/计数器由两个8位寄存器构成，其中的低14位组成计数器，剩下的两个高位(M2，M1)用于定义输出方式。其格式如下： 地址：05H 地址：04H 8155定时器有4种输出方式和波形可供选择 注意： 任何时候都可设置定时器的长度和工作方式，即使计数器已经计 数，也允许装入新的长度和输出方式，当写入启动命令后即可改变定 时器的工作方式。硬件复位后只能停止计数，应注意重新发启动命令。 若写入定时器的计数值为奇数，方波输出是不对称的。例如计数 值为 9，定时器输出的方波在前5个脉冲周期内为高电平，后4个脉冲周期内为低电平。 ? 8031与8155的接口 ? 8031与8155连接方法 8 0 3 1 单片机可以直接与8155连接使用，不需附加其它逻辑电 路，即可使系统增加 256 字节的 RAM、22 位I/O口线及一个定时 器/计数器，连接方法如图所示。 ? RAM字节地址 (P2.3＝0，P2.7＝0)： 7700H～77FFH ? 输入／输出口地址 (P2.3=1, P2.7=0) 命令／状态口： 7F00H A口： 7F0lH B口： 7F02H C口： 7F03H 定时器低8位： 7F04H 定时器高6位： 7F05H 3. 编程举例 [例1] 读8155RAM中40H单元的内容。 MOV DPTR，#7740H ；指向8155 RAM 40H单元 MOVX A，＠DPTR ；读出数送A中 [例2] 把立即数12H送人8155 RAM的F0H单元中。 MOV A，#12H ；12H立即数送入A MOV DPTR，#77F0H ；指向8155RAM F0H单元 MOVX ＠DPTR，A ；送入81 55 RAM的F0H [例2] 程序又可编成： MOV A，#12H ；数12H送人A MOV R0，#0F0H ：指向8155RAM F0H单元 ANL P2，#77H ；P2.7、P2.3置零，片选和选中RAM MOVX ＠R0，A ；A中内容送入F0H单元 [例3] 使用8155作I/O口和定时器，设A口、C口定义为基本输入 方式，B口定义为基本输出方式，定时器作为方波发生器，对输入脉 冲进行12分频。则相应的初始化程序如下： MOV DPTR，#7F04H ；指向定时器低8位 MOV A，#0CH ；计数长度0CH＝12 MOVX ＠DPTR，A ；计数长度低8位装入 INC DPTR ；指向定时器高8位 MOV A，#40H ；定时器的输出方式为连续方波 MOVX ＠DPTR，A ；定时器高8位装入 MOV DPTR，#7F00H ；指向命令寄存器 MOV A，#0C2H ；设定A口、C口为基本输入， MOVX ＠DPTR，A ; B口为基本输出，启动定时器