《单片机原理及应用》课件第4章.ppt

1、第第4章章51单片机系统功能的扩展单片机系统功能的扩展4.1 系统扩展概述系统扩展概述4.2 常用扩展器件简介常用扩展器件简介4.3 存储器的扩展存储器的扩展4.4 并行并行I/O口扩展口扩展习题四习题四51单片机的功能较强,在智能仪器仪表、家用电器、小型检测及控制系统中直接使用本身功能就可满足需要,使用极为方便。但对于一些较大的应用系统来说,它毕竟是一块集成电路芯片,其内部功能略显不足,这时就需要在片外扩展一些外围功能芯片。在51单片机外围可以扩展存储器芯片、I/O口芯片及其他功能芯片。4.1系统扩展概述系统扩展概述4.1.1最小应用系统最小应用系统单片机系统扩展一般是以基本的最小系统为基础

2、的,故首先应熟悉最小应用系统的结构。所谓最小系统,是指一个真正可用的单片机最小配置系统。对于片内带有程序存储器的单片机(如80C51/87C51),只要在芯片上外接时钟电路和复位电路就能达到真正可用,这就是一个最小系统,如图4.1(a)所示。对于片内不带有程序存储器的单片机(如80C31)来说,除了在芯片上外接时钟电路和复位电路外,还需外接程序存储器,才能构成一个最小系统,如图4.1(b)所示。图 4.151单片机最小化系统(a)80C51/87C51最小系统结构图;(b)80C31最小系统结构图4.1.2单片机系统扩展的内容与方法单片机系统扩展的内容与方法1.单片机的三总线结构单片机的三总线

3、结构为了使单片机能方便地与各种扩展芯片连接,常将单片机芯片的外部引线变为一般微型计算机的三总线形式,如图4.2所示。图 4.251单片机的三总线结构形式从图4.2可知,三总线的引线组成如下:地址总线:由P2口提供高8位地址线,具有地址输出锁存的能力;由P0口提供低8位地址线,由于P0口分时复用为地址/数据线,因而为保持地址信息在访问存储器期间一直有效,需外加地址锁存器锁存低8位地址,用ALE正脉冲信号的下降沿进行锁存。数据总线:由P0口提供,此口是准双向、输入三态控制的8位数据输入/输出口。控制总线:PSEN 用于片外程序存储器取指控制信号;RD、WR 用于片外数据存储器读、写控制信号。2.系

4、统扩展的内容与方法系统扩展的内容与方法(1)系统扩展一般有以下几方面的内容:外部程序存储器的扩展。外部数据存储器的扩展。输入/输出接口的扩展。管理功能器件的扩展(如定时器/计数器、键盘/显示器、中断优先级编码器等)。(2)系统扩展的基本方法:一般来讲,所有与计算机扩展连接的芯片的外部引脚线都可以归为三总线结构。扩展连接的一般方法实际上是三总线对接,要保证单片机和扩展芯片协调一致地工作,即要共同满足其工作时序。4.2常用扩展器件简介常用扩展器件简介在51单片机系统扩展中常用的芯片如表4.1所示。本节将对锁存器、总线驱动器、译码器等常用芯片进行简单介绍。表表4.1 常用的扩展器件常用的扩展器件4.

5、2.18D锁存器锁存器74LS37374LS373是一种带输出三态门的8D锁存器,其结构如图4.3所示。图 4.374LS373结构示意图1D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。G为数据锁存控制端:当G为“1”时,锁存器输出端同输入端;当G由“1”变“0”时,数据输入锁存器中。OE 为输出允许端:当OE 为“0”时,三态门打开;当OE 为“1”时,三态门关闭,输出呈高阻状态。在51单片机系统中,常采用74LS373作为地址锁存器使用,其连接方法如图4.4所示。其中输入端1D8D接至单片机的P0口,输出端提供的是低8位地址,G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端 OE 接地,表示

6、输出三态门一直打开。图 4.474LS373用作地址锁存器4.2.274LS244和和74LS245芯片芯片 74LS244和74LS245常作单片机系统的总线驱动器,也作三态数据缓冲器。74LS244为单向驱动器或数据缓冲器。74LS244的内部结构如图4.5所示。它由8个三态门构成,分成两组,分别由控制端1G 和2G 控制。图 4.574LS244内部逻辑与引脚图 74LS245的内部结构如图4.6所示。它由16个三态门构成,每个方向8个。在控制端 G 低电平有效时,由DIR控制数据的方向。当DIR为“1”时,数据从左向右传送;当DIR为“0”时,数据从右向左传送。图 4.674LS245

7、内部逻辑与引脚图当P2口需要增加驱动能力时,可采用单向驱动器74LS244,其连接如图4.7(a)所示。图中两个控制端1G 和2G 均接地,相当于8个三态门均打开,数据从P2口到A8A15端直通。也就是说,此处采用74LS244纯粹是为了增加驱动能力而不加任何控制。当51单片机的P0口需要增加驱动能力时,必须采用双向驱动器,可用74LS245,其连接如图4.7(b)所示。图中,将控制端G 接地(常有效),将单片机的PSEN 和RD 信号经与门后接到它的DIR端。当从片外程序存储器取指令(PSEN 变为低电平有效)或读片外数据存储器(RD 信号低电平有效)时,与门输出为0,即DIR=0,数据从右

8、向左,即通过74LS245传向P0口再送往CPU;其余时间PSEN 与RD 信号均为高电平无效,DIR=1,数据从左向右,即由P0口经驱动器向外输出。图 4.7总线驱动器的连接图(a)P2外接74LS244;(b)P0外接74LS2454.2.33-8译码器译码器74LS1383-8译码器74LS138为一种常用的地址译码器芯片,其引脚如图4.8所示。其中,G1、G2A、G2B 为3个控制端,只有当G1为“1”且G2A、G2B 均为“0”时,译码器才能进行译码输出;否则,译码器的8个输出端全为高阻状态。译码输入端与输出端的译码逻辑关系如表4.2所示。图 4.874LS138引脚图表表 4.2

9、74LS138的译码逻辑关系的译码逻辑关系具体使用时,G1、G2A、G2B 既可直接接至+5 V电源端或接地,也可参与地址译码,但其译码关系必须为100。需要时,也可通过反相器使输入信号满足要求。4.3存储器的扩展存储器的扩展4.3.1存储器扩展概述存储器扩展概述1.51单片机的扩展能力单片机的扩展能力根据51单片机地址总线宽度(16位)可知,在片外可扩展的存储器最大容量为64 KB,地址为0000HFFFFH。2.扩展的一般方法扩展的一般方法存储器按读/写特性不同区分为程序存储器和数据存储器。程序存储器又可分为掩膜ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除ROM(EPROM或EEPROM);数

10、据存储器又可分为静态RAM和动态RAM。因此,存储器芯片有多种,即使是同一种类的存储器芯片,因其容量的不同,则引脚数目也不同。尽管如此,存储器芯片与单片机扩展连接具有共同的规律。不论何种存储器芯片,其引脚都呈三总线结构,与单片机的连接都是三总线对接。另外,电源线应接在对应的电源线上。存储器芯片的控制线:一般来说,程序存储器具有读操作控制线(OE),它与单片机的PSEN信号线相连。除此之外,对于EPROM芯片还有编程脉冲输入线(PRG)、编程状态线(READY/BUSY)。PRG应与单片机在编程方式下的编程脉冲输出线相接。READY/BUSY 在单片机查询输入/输出方式下,与一根I/O口线相接;

11、在单片机中断工作方式下,与一个外部中断信号输入线相接。存储器芯片的数据线:数据线的数目由芯片的字长决定。例如,1位字长的芯片数据线有一根,4位字长的芯片数据线有4根,8位字长的芯片数据线有8根。存储器芯片的数据线与单片机的数据总线(P0.0P0.7)按由低位到高位的顺序顺次相接。存储器芯片的地址线:地址线的数目由芯片的容量决定。容量(Q)与地址线数目(N)满足关系式:Q=2N。存储器芯片的地址线与单片机的地址总线(A0A15)按由低位到高位的顺序顺次相接。一般来说,存储器芯片的地址线数目总是少于单片机地址总线的数目,如此相接后,单片机的高位地址线总有剩余。剩余地址线一般作为译码线,译码输出与存

12、储器芯片的片选信号线相接。存储器芯片有一根或几根片选信号线,访问存储器芯片时,片选信号必须有效,即选中存储器芯片。片选信号线与单片机系统的译码输出相接后,就决定了存储器芯片的地址范围。因此,单片机的剩余高位地址线的译码及译码输出与存储器芯片的片选信号线的连接,是存储器扩展连接的关键问题。译码有两种方法:部分译码法和全译码法。(1)部分译码。所谓部分译码，就是存储器芯片的地址线与单片机系统的地址线顺次相接后,剩余的高位地址线仅用一部分参加译码。参加译码的地址线对于选中某一存储器芯片有一个确定的状态,而与不参加译码的地址线无关。部分译码的一种特例是线译码。所谓线译码,就是直接用一根线与存储器芯片的

13、片选信号相接,即一根线选中。在设计存储器扩展连接或分析扩展连接电路确定存储器芯片的地址范围时,常采用图4.9所示的地址译码关系图的方法。假定某一2 KB存储器芯片译码扩展系统具有图中译码地址线的状态,我们来分析其地址范围。图 4.9地址译码关系图图4.9中与存储器芯片连接的低11位地址线的地址变化范围为全“0”全“1”。参加译码的4根地址线的状态是唯一确定的。不参加译码的A15位地址线有两种状态,这两种状态都可以选中该存储器芯片:当A15=0时,占用的地址是00100000000000000010011111111111,即2000H27FFH。当A15=1时,占用的地址是1010000000

14、0000001010011111111111,即A000HA7FFH。同理,若有N条高位地址线不参加译码,则有2N个重叠的地址范围。重叠的地址范围中真正能存储信息的只有一个,其余仅是占据,所以造成浪费,这是部分译码的缺点。它的优点是译码电路简单。(2)全译码。所谓全译码,就是存储器芯片的地址线与单片机系统的地址线顺次相接后,剩余的高位地址线全部参加译码。这种译码方法中,存储器芯片的地址空间是唯一确定的,但译码电路相对复杂。这两种译码方法在单片机扩展系统中都有应用。在扩展存储器(包括I/O口)容量不大的情况下,可选择部分译码,译码电路简单,可降低成本。3.扩展存储器所需芯片数目的确定扩展存储器所

15、需芯片数目的确定若所选存储器芯片字长与单片机字长一致,则只需扩展容量。所需芯片数目按下式确定:若所选存储器芯片字长与单片机字长不一致,则不仅需要扩展容量,还需扩展字长。所需芯片数目按下式确定：存储器芯片容量系统扩展容量芯片数 存储器芯片字长系统字长存储器芯片容量系统扩展容量芯片数目4.3.2程序存储器的扩展程序存储器的扩展单片机扩展常用的存储器类型是EPROM芯片,本节主要介绍它的扩展连接方法。1.EPROM芯片芯片2716是常用EPROM芯片中容量最小的(更小的已很少采用),有24条引脚,如图 4.10 所示。其中有3根电源线(VCC、VPP、GND)、11根地址线(A0A10)、8根数据输

16、出线(O0O7),其他2根为片选端 CE 和输出允许端OE。VPP为编程电源端,在正常工作(读)时,也接到+5 V。大容量的EPROM芯片有2732、2764、27128、27256,它们的引脚功能基本与2716类似,在图4.10中一并列出了它们两侧的引脚分布。图 4.10常用EPROM芯片的引脚图2.程序存储器扩展举例程序存储器扩展举例下面分三种情况说明程序存储器的扩展方法。1)不用片外译码器的单片程序存储器的扩展例1试用EPROM 2764构成80C31的最小系统。2764是8 KB8位程序存储器,芯片的地址引脚线有13条,顺次和单片机的地址线A0A12相接。由于不采用地址译码器,因此高3位地址线A13、A14、A15不接,故有 23=8 个重叠的8 KB地址空间。因只用一片2764,故其片选信号 CE 可直接接地(常有效)。其连接电路如图 4.11所示。图 4.112764与51单片机的扩展连接图图4.11所示连接电路的8个重叠的地址范围为:00000000000000000001111111111111,即0000H1FFFH;0010000000000000001111111