第7章MCS-51单片机的常用外 设扩展
目录
7.1 存储器扩展设计
7.1.1 单片机程序存储器概述 7.1.2 EPROM扩展
7.2 数据存储器扩展
7.2.1 SRAM扩展实例 7.2.2 外部RAM与I/O同时扩展
7.3 并行I/O口扩展
7.3.1 简单I/O接口扩展 7.3.2 基于可编程芯片8255A的扩展
• 2.硬件电路 • 单片机与6116的硬件连接如图7-4所示。
• 3.连线说明 • 地址线：A0～A10连接单片机地址总线P0.0～P0.7、P2.0、P2.1、 P2.2共11根； • 数据线：I/O0～I/O7连接单片机的数据线，即P0.0～P0.7； • 控制线：片选端连接单片机的P2.7，即单片机地址总线的最高位A15； 读允许线连接单片机的读数据存储器控制线； • 写允许线连接单片机的写数据存储器控制线。 • 单片机对RAM的读写可以使用下面两条命令： • MOVX @DPTR，A ；64K字节内写入数据 • MOVX A，@DPTR ；64K字节内读取数据 • 还可以使用以下对低256字节的读写指令： • MOVX @Ri，A ；低256字节内写入数据 • MOVX A，@Ri ；低256字节内读取数据
• 对于没有内部ROM的单片机或者程序较长、片内ROM容 量不够时，用户必须在单片机外部扩展程序存储器。 MCS-51单片机片外有16条地址线，即P0口和P2口，因此 最大寻址范围为64K字节（0000H—FFFFH）。 • 这里要注意的是，MCS-51单片机有一个管脚跟程序存储 器的扩展有关。如果接高电平，那么片内存储器地址范围 是0000H—0FFFH（4K字节），片外程序存储器地址范 围是1000H—FFFFH（60K字节）。如果接低电平，不使 用片内程序存储器，片外程序存储器地址范围为0000H— FFFFH（64K字节）。 • 8031单片机没有片内程序存储器，因此管脚总是接低电平。
2.硬件电路图 8031单片机扩展一片2732程序存储器电路如 图7-1所示。
• 3.芯片说明 • （1）74LS373 • 74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于单片机的三总线结构中， 数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信 号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存 控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址。 • （2）EPROM2732 • EPROM2732的容量为4K×8位。4K表示有4×1024个存储单元，8位 表示每个单元存储数据的宽度是8位。前者确定了地址线的位数是12 位（A0～A11），后者确定了数据线的位数是8位（O0～O7），目前 除了串行存储器之外，一般情况下我们使用的都是8位数据存储器）。 2732单一+5V供电，最大静态工作电流为100mA，维持电流为35mA， 读出时间最大为250ns。2732的管脚如图7-2所示。
• 其中A0～A11：地址线 • O0～O7：数据线 • 为片选线，低电平有效，也就是说，只有当为低 电平时，2732才被选中，否则，2732不工作。 /VPP为双功能管脚，当2732用作程序存储器时， 其功能是允许读数据出来；当对EPROM编程 （也称为固化程序）时，该管脚用于高电压输入， 不同生产厂家的芯片编程电压也有不同。当我们 把它作为程序存储器使用时，不必关心其编程电 压。
• 2.硬件连线 • 用单片机扩展8KSRAM的硬件连线图如图7-6所示。
• 单片机的高三位地址线A13、A14、A15用 来进行3-8译码，译码输出的1Y接6264的片 选线；剩余的译码输出用于选通其它的I/O 扩展接口； • 6264的片选线CE2直接接高电平，+5V； • 6264的输出允许信号接单片机的，写允许 信号接单片机的。
由于MCS-51系列单片机将片外并行I/O接口地址与片外数据 存储器统一编址，片外I/O被看成是片外数据存储器的存 储单元，通过片外数据存储器的访问方式访问。因此，片 外的I/O的扩展方法和片外数据存储器的扩展方法完全相 同，即两者的读/写时序一致，三总线连接方法相同。同 时也要注意，如果扩展的外部I/O接口占用了其中的某些 地址空间，那么扩展的数据存储器就不能使用这些地址空 间。相应地扩展外部I/O接口时，必须给每个扩展的I/O接 口的功能寄存器分配一个专用的地址(或片选信号)，MCS51单片机访问扩展的I/O接口的操作同访问扩展的并行接 口存储器的操作完全相同。单片机执行读操作时，可以将 输入端口的状态读回到内部变量中；单片机执行写操作时， 可以根据用户指定的控制字写到输出端口。
• 7.3 并行I/O口扩展 • MCS-51单片机有4个并行I/O口，每个8位，但这些I/O口 并不能全部提供给用户使用，只有对于片外中断、定时/计数器时，才能对4个并行I/O口进行使用。 如果片外要扩展资源，则P0口、P2口要用来作为数据、 地址总线，P3口中的某些位也要被用来作为第二功能信号 线，这时留给用户的I/O线就很少了。因此，在大部分的 MCS-51单片机系统中都要进行I/O扩展。 • I/O扩展接口的种类很多，按其功能可分为简单I/O接口和 可编程I/O接口。简单I/O扩展是通过数据缓冲器、锁存器 来实现的，结构简单、价格便宜，但功能简单。可编程 I/O扩展通过可编程接口芯片来实现，电路复杂、价格相 当较高，但功能强、使用灵活。
• 7.1.2 EPROM扩展 • 紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM是国内用得较多的程序存储 器。EPROM芯片上均有一个玻璃窗口，在紫外线照射下，存储器中 的各位信息均变1，即处于擦除状态。擦除干净的EPROM可以通过编 程器将应用程序固化到芯片中。 • 1.选择芯片 • 8031系列单片机，内部无ROM区，无论程序长短都必须扩展程序存 储器。在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价 格合理情况下尽量选用容量大的芯片。芯片少，接线简单，芯片存储 容量大，程序调整余量大。如估计程序总长3KB左右，最好扩展一片 4KB的EPROM2732，而不选用2片2716（2KB）。这是因为在单片 机应用系统硬件设计中，应尽量减少芯片使用个数，使得电路结构简 单，提高可靠性。
• 7.2.2外部RAM与I/O同时扩展 • 外部RAM与外部I/O口采用相同的读写指令，二者统一编 址。因此，当同时扩展二者时，就必须考虑地址的合理分 配，通常采用译码法来实现。 • 例如：要求扩展8KRAM，地址范围是2000H—3FFFH， 并且具有唯一性；其余地址均作为外部I/O扩展地址。 • 1.芯片选择 • （1）静态RAM芯片6264 • 6264是8K×8位的静态RAM，它采用CMOS工艺制造，单 一+5V供电，额定功耗200mW，典型读取时间200ns，封 装形式为DIP28，管脚如图8-12所示。
• MCS-51单片机扩展片外数据存储器的地址 线也是由P0口和P2口提供的，因此最大寻 址范围为64K字节（0000H—FFFFH）。 • 一般情况下，SRAM用于仅需要小于64KB 数据存储器的小系统，DRAM经常用于需要 大于64KB的大系统。在本节将主要介绍 SRAM与单片机的接口设计。
• 7.2.1 SRAM扩展实例 • 1.芯片选择 • 单片机扩展数据存储器常用的静态RAM芯片有6116 （2K×8位）、6264（8K×8位）、62256（32K×8位） 等。
• 7.1 存储器扩展设计 • 在进行单片机应用系统设计时，首先考虑 的就是存储器的扩展，包括程序存储器和 数据存储器。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 器的寻址空间是64K字节（0000H～ FFFFH）。
• 7.1.1单片机程序存储器概述 • 单片机应用系统由硬件和软件组成，软件 的载体就是硬件中的程序存储器。对于 MCS-51系列8位单片机，片内程序存储器 的类型及容量如表7-1所示。 •
其中A0～A12：13条地址线；I/O0—I/O7：8条数据线，双 向； 片选线1，低电平有效；CE2：片选线2，高电平有效 读允许信号线，低电平有效；：写信号线，低电平有效
• （2）3-8译码器74LS138 • 题目要求扩展RAM的地址范围是唯一的2000H-3FFFH，其余地址用于外部I/O接口。由于外部 I/O占用外部RAM的地址范围，操作指令都是 MOVX指令，因此，I/O和RAM同时扩展时必须进 行存储器空间的合理分配。这里采用全译码方式， 6264的存储容量是8K×8位，占用了单片机的13 条地址线A0～A12，剩余的3条地址线A13～A15 通过74LS138来进行全译码。
• 4.扩展总线的产生 • MCS-51系列单片机由于受管脚的限制，数据线与地址线 是复用的，为了将它们分离开来，必须在单片机外部增加 地址锁存器，构成与一般CPU相类似的三总线结构。 • 5.连线说明 • （1）地址线 • 单片机扩展片外存储器时，地址线是由P0和P2口提供的。 图8-2中，2732的12条地址线（A0～A11）中，低8位 A0～A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高4位A8～A11 直接与P2口的P2.0～P2.3连接，P2口本身有锁存功能。 注意，锁存器的锁存使能端G必须和单片机的ALE管脚相 连。
• 根据题目容量的要求我们选用SRAM6116， 采用单一+5V供电，输入输出电平均于TTL 兼容，具有低功耗操作方式，管脚如图7-3 所示。 • 6116有11条地址线A0～A10；8条双向数据 线I/O0～I/O7；为片选线，低电平有效；写 允许线，低电平有效；读允许线，低电平 有效。6116的操作方式如表7-2所示。
• 7.2 数据存储器扩展 • RAM是用来存放各种数据的，MCS-51系列8位单片机内 部有128字节RAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操 作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量 数据时，仅靠片内提供的RAM是远远不够的。此时，我们 可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。 • 常用的外部数据存储器有静态RAM （StaticRandomAccessMemory——SRAM）和动态RAM （DynamicRandomAccessMemory——DRAM）两种。 前者相对读写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且 大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电 路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。 后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加 一个刷新电路，附加另外的成本。