1、单片机原理及其应用扬州大学1单片机原理及其应用(Principle and Application of Single Chip Microcomputer)单片机原理及其应用扬州大学2第1章 概述第2章 MCS-51单片机硬件结构第3章 MCS-51寻址方式和指令系统第4章 MCS-51汇编程序设计第5章 中断系统第6章 定时器/计数器及串行口第7章 存储器扩展第8章 接口电路扩展第9章 应用举例单片机原理及其应用扬州大学3第7章 MCS-51单片机系统扩展技术7.1 MCS-51单片机系统扩展的基本概念7.2 存储器地址空间分配7.3 程序存储器扩展技术7.4 数据存储器扩展技术7.5 存
2、储器混合扩展技术7.6 E2PROM的扩展技术7.7 输入/输出口扩展技术单片机原理及其应用扬州大学47.1 MCS-51单片机系统扩展的基本概念7.1.1 MCS-51单片机最小应用系统7.1.2 MCS-51单片机的外部扩展性能单片机原理及其应用扬州大学57.1.1 MCS-51单片机最小应用系统 18051/8751最小应用系统（如图7-1所示）。 由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点是：（1）全部I/O口线均可供用户使用。（2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。（3）应用系统开发具有特殊性。图7-1 8051/8751最小应用系统单片机原理及其应
3、用扬州大学628031最小应用系统 8031片内无程序存储器，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。图7-2为用8031外接程序存储器构成的最小系统。图7-2 8031最小应用系统PSEN单片机原理及其应用扬州大学77.1.2 MCS-51单片机的外部扩展性能1MCS-51单片机的片外总线结构 MCS-51单片机片外引脚可以构成如图7-3所示的三总线结构： 所有外部芯片都通过这三组总线进行扩展。图7-3 MCS-51系统扩展哈佛结构：程序存储器与数据存储器空间独立冯诺伊曼结构（普林斯顿结构）：程序存储器与数 据存储器空间合用单片机原理及其应用扬州大学8图7-4 8031单片机总线构造2. 构造
4、系统总线 单片机原理及其应用扬州大学9（1）P0口作为低8位地址/数据总线（2）P2口作为高8位地址总线图7-5 地址总线扩展单片机原理及其应用扬州大学10（3）控制总线ALE: 低8位地址锁存信号/PSEN: 程序存储器读信号/EA: 内/外部程序存储器选择信号/RD: 外部数据存储器读信号/WR: 外部数据存储器写信号单片机原理及其应用扬州大学113MCS-51单片机的系统扩展能力* 当系统要大量配置外围设备(扩展较多的I/O口)时，将占去大量的RAM地址。* 串行扩展技术：用并行3总线扩展是单片机应用中的主要方法。但是，扩展时，连线多，器件占据电路板空间较大。串行接口器件体积小，连线少（
5、34根），可以简化器件的连接。串行接口有三线的SPI, 双线的 I2C。* 当应用系统存储扩展容量或扩展I/O口地址超过单片机地址总线范围时，可用换体法解决。如图7-6所示。 单片机原理及其应用扬州大学12图7-6 用I/O线来控制片外存储器换体32kB32kB32kB32kBP2.7P1.01Y01Y11Y21Y31A1B1G单片机原理及其应用扬州大学137.2 存储器地址空间分配7.2.1 存储器读写控制EPROM: 只读，读引脚 /OE 通常接 /PSEN。RAM: 可读可写，读引脚 /OE 接 /RD, 写引脚 /WE 接 /WR。7.2.2 存储器地址空间分配 扩展多片存储器、I/O
6、接口：区分各个存储器芯片和接口芯片是单片机扩展应用时要解决的问题。 存储空间的分配，使一个存储单元对应一个地址, 把ROM、RAM、I/O分配在不同的地址范围。 单片机原理及其应用扬州大学141）线选法扩展存储器 线选法：直接用高位地址作为存储器（I/O芯片）的片选信号。把选中的地址线与存储器的片选端相连即可。 优点：电路简单、不用地址译码芯片。缺点：可寻址的器件数目受限、地址空间不连续、存储单元地址不唯一，只用于简单的系统。 单个存储器芯片容量小于存储空间容量时，选存储单元分为选片和选片内单元两种选择。通常用地址高位选片子(片选)，地址低位作片内单元选择。 片选信号是对地址总线进行译码获得的
7、。 译码方法有: 线(性)选法 和 (地址)译码法两种形式。单片机原理及其应用扬州大学15某单片机系统需扩展8KB的EPROM(27322), 4KB的RAM(61162)。地址连线见下图。图7-7 线选法举例2732有12根地址线，6116有11根地址线，连接低位地址。各片片选端接分别接高四位地址。单片机原理及其应用扬州大学16地址范围确定 P2.7 P2.02732(1): 0 1 1 1-0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (7000H) 0 1 1 1-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (7FFFH) P2.6 P2.02732(2): 1 0 1 1-0 0
8、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (B000H) 1 0 1 1-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (BFFFH) P2.4 P2.06116(1): 1 1 1 0-0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (E000H) 1 1 1 0-0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (E7FFH) P2.4 P2.06116(1): 1 1 1 0-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (E800H) 1 1 1 0-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (EFFFH)6116(2): (D000HD7FFH) (D800HDFFFH)单片
9、机原理及其应用扬州大学172）译码法扩展存储器 用译码器对高位地址进行译码，分配存储空间。译码器输出作为芯片的片选信号。它能有效利用存储空间，适用于大容量多芯片存储器扩展。 常用译码器芯片：74LS138(3-8译码器）单片机原理及其应用扬州大学18扩展8片8KB的RAM6264, 只需将64KB分成8个8KB空间。 图中可见所有的地址线都参与了地址译码，称为全地址译码。各个存储单元有惟一的地址。图7-8 64KB地址空间分配单片机原理及其应用扬州大学19如何把64KB划分成每块4KB的空间？ 4832KB, 需15根地址参加译码。12根用于片内单元译码，3根用于片选译码。P2.7未参与译码，
10、但它决定了选择前32KB还是后32KB。可能造成空间重叠。 下图用P2.7控制138，选择了前32KB空间。图7-9 32KB地址空间分配单片机原理及其应用扬州大学207.2.2 外部地址锁存器1.74LS373 74LS373是三态8D锁存器。/OE: 输出允许G: 输入锁存选通锁存2. 74LS573 功能与74LS373一样，引脚排列不同。图7-10 373引脚与结构图7-11 573引脚单片机原理及其应用扬州大学217.3 程序存储器扩展技术7.3.1 程序存储器简介7.3.2 程序存储器操作时序7.3.3 EPROM扩展电路单片机原理及其应用扬州大学227.3.1 程序存储器简介1.
11、 程序存储器的类型 程序存储器一般在工作时是只读的（ROM)(1) 掩模ROM (2) PROM仅用于批量生产。 仅一次可编程。(3) EPROM可多次编程，紫外线擦除。(4) E2PROM可多次编程, 电擦除。写入速度慢。(5) Flash ROM可多次编程, 电擦除。写入速度快。可替代E2PROM。很多单片机已将Flash ROM做在片内。单片机原理及其应用扬州大学232. 常用EPROM芯片 27系列Vcc: 工作电压 Vpp: 编程电压Im: 最大静态电流 Is: 维持电流TRM: 最大读取时间单片机原理及其应用扬州大学24/CE: 片选 /OE: 输出允许读出：/CE=0 ，未选中：
12、 /CE=1， /OEX 图7-12 常用EPROM芯片引脚图单片机原理及其应用扬州大学25图7-13 外部程序存储器操作时序7.3.2 程序存储器操作时序 /PSEN接EPROM的/OE端。 每机器周期，ALE出现两次，下降沿锁存PCL。 /PSEN变低时，读入指令。单片机原理及其应用扬州大学26图7-14 外部程序存储器操作时序 /PSEN接EPROM的/OE端。 第一个机器周期S2时, ALE下降沿锁存PCL。S3时，读入指令。S5时 ALE下降沿锁存低数据地址。第二个机器周期总线给数据存储器用。 执行一次MOVX指令将丢失一次ALE脉冲。单片机原理及其应用扬州大学27GOE7.3.3
13、EPROM扩展电路12764A EPROM扩展电路地址范围：0 0000 0000 0000H1 1111 1111 1111H=0000H1FFFH图7-15 2764 EPROM扩展电路单片机原理及其应用扬州大学28227128 EPROM扩展电路地址范围：00 0000 0000 0000H11 1111 1111 1111H=0000H3FFFH图7-16 27128 EPROM扩展电路单片机原理及其应用扬州大学29地址分配：27128(1) : 0000H3FFFH 27128(2) : 4000H7FFFH 27128(3) : 8000HBFFFH 27128(4) : C000
14、HFFFFH3四片27128 EPROM扩展电路(1)(2)(3)(4)图7-17 多片EPROM扩展电路单片机原理及其应用扬州大学307.4 数据存储器扩展7.4.1 常用静态RAM芯片7.4.2 数据存储器操作时序7.4.3 静态RAM扩展电路单片机原理及其应用扬州大学31 常用的静态RAM芯片有6116(2k8)，6264(8k8)，62128 (16k8)，62256(32k*8)等。7.4.1 常用静态RAM芯片/CE: 片选/OE: 读选通/WE: 写允许CS: 6264片选图7-18 常用RAM引脚图单片机原理及其应用扬州大学327.4.2 数据存储器操作时序1. ALE高电平期
15、间，地址变为有效。下降沿锁存低8位地址。2. 在第一周期S6状态,P0浮空。3. 在第二周期S1状态起，/RD有效。存储器指定地址单元送出数据，进入P0。S2状态CPU读入数据。4. S3状态末 /RD变无效。S4S2S5S6S1S3第一机器周期第二机器周期图7-19 片外RAM操作时序单片机原理及其应用扬州大学331. ALE高电平期间，地址变为有效。下降沿锁存低8位地址。2. 在第一周期S6状态,P0浮空。3. 在第二周期S1状态起，/WR有效。CPU输出数据到P0，在地址译码和/WR作用下，P0上数据进入相应的存储单元。4. S3状态末 /WR变无效。图7-20 片外RAM操作时序单片机
16、原理及其应用扬州大学347.4.3 静态RAM扩展电路1单片6264静态RAM扩展地址范围：00 0000 0000 0000H01 1111 1111 1111H0000H1FFFH, 2000H3FFFH 图7-21 6264扩展图单片机原理及其应用扬州大学35IC1地址：1100 0000 0000 00001101 1111 1111 1111 (C000HDFFFH)IC2地址：1010 0000 0000 00001011 1111 1111 1111 (A000HBFFFH)IC3地址：0110 0000 0000 00000111 1111 1111 1111 (6000H7F
17、FFH)2多片6264静态RAM扩展图7-22 线选法3片6264扩展图单片机原理及其应用扬州大学36IC1地址: 0000 0000 0000 00000011 1111 1111 1111 (0000H3FFFH)IC2地址: 0100 0000 0000 00000111 1111 1111 1111 (4000H7FFFH)IC3地址: 1000 0000 0000 00001011 1111 1111 1111 (8000HBFFFH)IC4地址: 1100 0000 0000 00001111 1111 1111 1111 (C000HFFFFH)3多片62128静态RAM扩展图7
18、-23 译码器法片外存储器扩展图单片机原理及其应用扬州大学377.5 存储器混合扩展技术 前面分别介绍了程序存储器和数据存储器的单独扩展技术。在实际应用中往往ROM和RAM都要扩展。 ROM读用/PSEN控制，RAM读写用/RD和/WR控制。1. 线选法扩展2片6264和2片2764 选片直接用高位地址。2. 译码法扩展2片6264和2片2764 选片用译码器的输出。单片机原理及其应用扬州大学382764(1)地址： x100 0000 0000 0000 x101 1111 1111 11112764(2)地址： x010 0000 0000 0000 x011 1111 1111 1111
19、6264(1)地址： x100 0000 0000 0000 x101 1111 1111 11116264(2)地址： x010 0000 0000 0000 x011 1111 1111 1111图7-24 片外存储器综合扩展图（线选法）单片机原理及其应用扬州大学392764(1)地址: 0000 0000 00000000 0001 1111 111111112764(2)地址: 0010 0000 00000000 0011 1111 111111116264(3)地址: 0100 0000 00000000 0101 1111 111111116264(4)地址: 0110 0000
20、 00000000 0111 1111 11111111图7-25 片外存储器综合扩展图（译码器法）单片机原理及其应用扬州大学40（1）ROM读指令 复位，PC=0000H。 取指令期间，PCL送P0, 经373锁存得地址A7A0，直连2764低8位地址。PCH送P2得地址A15A8。其中A12A8与2764相应地址直连，A15A13接译码器。 0000H地址选中2764(1)的第一个地址，当/PSEN有效时，程序代码就从P0口读到单片机的指令译码器，进行译码，决定作何种操作。 此后PC自动加一，取下一个单元的程序代码。3. 外扩存储器电路工作原理单片机原理及其应用扬州大学41（2）RAM读写
21、 在使用MOVX类指令时，就是对外部RAM进行读写。例MOV DPTR, #5000HMOVX A, DPTRMOV 50H, A 执行第二条指令时，DPL送P0, 并被373锁存，DPH送P2。根据译码器以及片内译码选中6264(1)的5000H单元，当/RD有效时，5000H单元的内容进入P0, 并送到A。 MOVXDPTR, A 是执行存储器写，与存储器读的过程类似。 MOVX A, Ri 和 MOVX Ri, A也是执行对外部RAM读写。Ri的内容送P0，形成低8位地址，P2口的内容形成高位地址。单片机原理及其应用扬州大学42【例7-1】(8-4) 编程将程序存储器TAB为首地址的32
22、个单元内容依次传送到外部RAM7000H开始的区域。MOVP2, #70H；外部RAM高8位地址MOVDPTR, #TABMOVR0, #0AGIN: MOVA, R0；查表偏移量MOVCA, A+DPTRMOVXR0, A；存入外部RAMINCR0CJNER0, #32, AGINHERE: SJMPHERETAB:DB,单片机原理及其应用扬州大学437.6 E2PROM扩展技术 E2PROM是一种电擦除可编程只读存储器，其主要特点是能在线擦除和改写，并在断电的情况下保持修改的结果。在智能化仪器、仪表、控制装置等领域得到普遍采用。 E2PROM既可当ROM用也可作RAM用。与RAM比，写入速
23、度很慢。擦除/写入寿命有限。 常用的E2PROM芯片主要有Intel 2816/2816A, 2817/2817A、2864A等。单片机原理及其应用扬州大学44/CE: 片选/OE: 输出允许/WE: 写允许RDY/BUSY:写入状态图7-26 常用E2PROM引脚图单片机原理及其应用扬州大学45单片机原理及其应用扬州大学4612817A E2PROM扩展写操作时忙(16ms)特性：写入字节时自动擦除。 写入期间， RDY/BUSY变低，数据线呈现高阻态。图7-27 2817A 引脚图单片机原理及其应用扬州大学47地址范围：0 000 0000 0000H0 111 1111 1111H000
24、0H07FFH, 0800H0FFFH 图7-28 2817A 与8031 接口图单片机原理及其应用扬州大学48WR1: MOV DPL, R3MOV DPH, R4MOVX A, DPTR ；取源数据INC DPTRMOV R3, DPL；保存源数据指针MOV R4, DPHMOV DPL, R1; 取2817A地址MOV DPH, R2MOVX DPTR, A ；写入2817AWAIT: JNB P1.0, WAIT；等待字节写完INC DPTRMOV R1, DPL;保存2817A地址MOV R2, DPHDJNZ R0, WR1 ；未完，继续RET子程序入口参数：R0: 写入的字节数R
25、2R1: 2817A地址R4R3: 源数据地址对2817A写操作的程序单片机原理及其应用扬州大学4922864A E2PROM 扩展图7-29 2864A 引脚图单片机原理及其应用扬州大学502864A有四种工作方式：（1）维持方式：/CE=1, 进入低功耗维持, 数据线呈高阻态。（2）读出方式：/CE=0, /OE=0, /WE=1, 与普通存储器相同。 （3）写入方式：页写入(16字节/页)，数据先写入页缓冲器(页 装载)，满后再写到相应地址单元(页存储)。 芯片要求写入一字节数据的时间: 3us TBLW 20us。这个时间由限时定时器计算，在每个/WE下降沿开始启动。一旦装载完毕，没有
26、了/WE信号，限时定时器溢出，页存储操作开始。 字节写入 （4）数据查询方式：软件检测页存储周期是否完成。在页存储期间，执行读2864A操作，读出的是最后写入的字节。若页存储未完成，读出的数据最高位是写入字节最高位的反码。单片机原理及其应用扬州大学51地址范围： 00 0000 0000 000001 1111 1111 11110000H1FFFH, 2000H3FFFH 图7-30 2864A 与8031接口图单片机原理及其应用扬州大学52WR2: MOVXA, DPTR；取数据MOVR2, A ；暂存备查MOVXR0, A ；写入2864AINCDPTRINCR0CJNER0, #0, NEXT ; 低地址未到零，转INCP2；已到零，高位地址增1NEXT:DJNZR1, WR2；页面未装完，继续DECR0 ；退到最后一个写入的数地址LOOP:MOVXA, R0；读2864AXRLA, R2; 异或检查JBACC.7, LOOP；最高位不等，继续查RET；一页写完，返回子程序入口参数：R1: 写入的字节数(16)P2R0: 2864A地址DPTR: 源数据区地址对2864A装载一个页面的程序
