第11章 MCS-51单片机系统扩展-第1部分 - 1
第十一章 MCS-51单片机系统扩展
11.1 8051/8751的最小系统
80C51片内有4KB的程序存储器，因此，只需要外接晶体振荡器和复位电路就可构成最小系统。
图11-1 最小单片机系统
最小系统的特点如下：
（1）由于片外没有扩展存储器和外设，P0、P1、P2、P3都可以作为用户I/O口使用。但P0口作为用户I/O口使用时，需要加上拉电阻。
（2）片内数据存储器有128字节，地址空间00H～7FH，没有片外数据存储器。
（3）内部有4KB程序存储器，地址空间0000H～0FFFH，没有片外程序存储器，EA应接高电平。
（4）可以使用两个定时/计数器T0和T1，一个全双工的串行通信接口，5个中断源。
80C51虽有4个I/O口P0～P3，但在大多数应用系统中，真正用作I/O 口线的只有P1口的8位位线和P3口的某些位线。因此，在I/O接口引脚不够，或在片内的存储器资源还不能满足要求时，需要进行如下的扩展：
(1) 外部I/O接口的扩展；【例如74LS164、74LS165等】
(2) 外部程序存储器的扩展；
(3) 外部数据存储器的扩展。
11.2 系统扩展结构
单片机采用总线结构，使扩展易于实现，单片机系统扩展结构如图11-2所示。
图11-2 80C51单片机的系统扩展结构
从图11-2可以看出，系统扩展主要包括存储器扩展和I/O接口部件扩展。存储器扩展包括程序存储器扩展和数据存储器扩展。
系统扩展是以单片机为核心，通过总线把单片机与各扩展部件连接起来。因此，首先要利用单片机的I/O口构造系统总线。系统总线按功能通常分为3组，如图11-2所示。
（1）地址总线AB（Address Bus）：用于发送CPU发出的地址信号，以便进行存储单元和I/O接口芯片中的寄存器的选择。
地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器（通常用74LS373）提供地址低8位，P2口直接提供地址高8位，地址信号是由CPU发出的单方向信号。
存储器芯片的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：2N
Q 。存储器芯片的地址线与单片机的地址总线(A0～A15，P0口为低8位（需用74LS373锁存），P2口为高8位）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少于单片机地址总线的数目，因此连接后，单片机的高位地址线（P2口）应该有剩余。剩余的地址线一般作为译码线，译码器的输出与存储器芯片的片选信号线（CS或CE）相接。片选
信号线CS或CE与单片机系统的译码器输出相接后，就决定了存储器芯片的
地址范围。
【P153】地址总线的低8位（A0～A7）由P0口提供，由于P0口是地址和数据分时使用，所以P0口输出的低8位地址必须用锁存器锁存，可以利用ALE 的下降沿将P0口输出的地址信息锁存，P2口提供高8位（A8～A15）地址信息。由于P2口不是地址和数据分时使用，而且P2口有锁存功能，所以P2口不需要加锁存器。
（2）数据总线DB（Data Bus）：数据总线由P0提供，用于单片机与外部存储器之间或与I/O接口之间传送数据，数据总线是双向的。【由单片机P0口提供，和外部存储器芯片或与I/O芯片的数据口相连】
连接时，存储器芯片的数据线与单片机的数据总线(P0.0～P0.7)按由低位到高位的顺序顺次相接。【要注意顺序，例如ADC0809的数据线就不规范】【P154】数据总线与哪个外设进行数据通信，由CPU输出的地址信号决定，选中的芯片数据线与单片机的数据总线相连，未选中的芯片数据线与单片机总线处于三态高阻状态【相当于断开状态】。
（3）控制总线CB（Control Bus）：控制总线是单片机发出的各种控制信号线。【例如：单片机的ALE、PSEN和P3口的WR、RD】
如何构造系统的三总线。
1．P0口作为低8位地址/数据总线
80C51受引脚数目限制，P0口既可作为低8位地址总线，又可用作数据总线（分时复用），因此，需增加一个8位地址锁存器【配合ALE信号线】。单片机访问外部扩展的存储器单元或I/O接口寄存器时，先发出低8位地址送地址锁存器锁存，锁存器输出作为系统的低8位地址（A7～A0）。随后，P0口又作为数据总线口（D7～D0），如图11-3所示。【发出的地址由ALE控制地址锁存器进行锁存】
2．P2口的口线作为高位地址线
P2口用作系统的高8位地址线，再加上地址锁存器提供的低8位地址，便形成了系统完整的16位地址总线。使单片机系统的寻址范围可以达到64KB。
（216＝64K）
图11-3 80C51单片机扩展的片外三总线
3．控制信号线【控制信号线＝P3口的第二功能线＋控制引脚】【P154】除地址线和数据线外，还要有系统的控制总线。这些控制信号线有的就是单片机引脚的第一功能信号，还有的则利用P3口第二功能信号线。包括：（1）PSEN(29)为外扩程序存储器的读选通控制信号。例如对于程序存储器来说，具有输出允许控制线OE，它与单片机的PSEN信号线相连。在执行访问外部程序存储器指令时，PSEN（外部程序存储器选通）信号有效。【注意：读取EPROM中数据（指令）时，不用RD信号，而用PSEN】（2）RD(P3.7)和WR(P3.6)为外扩数据存储器和I/O的读、写选通控
制信号。例如对于数据存储器，一般都有输出允许控制线OE和写控制线WE，
它们分别与单片机的读信号线RD和写信号线WR相连。在访问外部数据存储器【包括I/O】指令时，由P3口自动产生读/写（RD/WR）信号，通过P0口
对外部数据存储器单元进行读/写操作。
（3）ALE(30)作为P0口发出的低8位地址锁存控制信号。
（4）EA(31)为片内、片外程序存储器的选择控制信号。
可见，80C51的4个并行I/O口，由于系统扩展的需要，真正作为通用I/O 引脚用的部分，就剩下P1口和P3口的部分引脚了。
11.3 地址空间分配和外部地址锁存器
11.3.1 存储器地址空间分配
在设计实际系统时，可能既需要扩展程序存储器，又需要扩展数据存储器，如何把片外的两个64KB地址空间分配给各个程序存储器、数据存储器芯片，使一个存储单元只对应一个地址，避免单片机发出一个地址时，同时访问两个单元，发生数据冲突。这就是存储器地址空间分配需要解决的问题。
单片机发出的地址用于选择某个存储器单元，如果外扩多片存储器芯片时，单片机就必须进行两种选择：一是：选中该存储器芯片，这称为“片选”，未被选中的芯片不能被访问（三态－高阻）。二是：在“片选”的基础上再根据单片机发出的地址来对“选中”芯片的某一单元进行访问，即“单元选择”。【相当于两级方式，一是选中该芯片，然后用地址选择存储单元】【相当于找人，先问住哪栋楼（片选），再问哪房间号（单元选择）】
【先找学校，系别，班级，再找人。学校、学号是唯一的对应人】
【实验A楼，203房间】
为了实现片选，存储器芯片都有片选引脚CE，还有多条地址线引脚，以
便进行单元选择。注意，“片选”和“单元选择”都是单片机通过地址线一次发出的地址信号来完成选择。
通常把单片机系统的地址线分为低位地址线和高位地址线，“片选”都是使用高位地址线（P2口的线）。实际上，16条地址线中的高、低位地址线的数目并不是固定的，只是习惯上把用于“单元选择”的地址线，称为低位地址线，其余的为高位地址线。
常用的存储器地址空间分配方法有两种：线选法和地址译码法。
1．线选法
线选法是直接利用系统的某一高位地址线（P2口的某一根线）作为存储
器芯片（或I/O接口芯片）的“片选(CE)”控制信号。为此，只需要把用到
的高位地址线与存储器芯片的“片选”端直接连接即可。【在DAC0832中】线选法优点是电路简单，不需要另外增加地址译码器硬件电路，成本低。缺点是可寻址的芯片数目受到限制。另外，地址空间不连续，每个存储单元的地址不唯一，这会给程序设计带来不便，只适用于外扩芯片数目不多的单片机系统的存储器扩展。【因为P2口的一根线对应一个芯片】
【前面有的例子中，如果只有一片外扩芯片，也可以直接把片选信号线直接接地，但是有多片的话，不能直接接地】
2．译码法
存储器芯片的地址线与单片机系统的地址线顺次相接后，利用剩余的高位地址线参加译码。
使用译码器对80C51单片机的高位地址线进行译码，译码输出作为存储器芯片的片选信号。这种方法能够有效地利用存储器空间，适用于多芯片的存储器扩展。常用的译码器芯片有74LS138（3线-8线译码器）、74LS139（双2线-4线译码器）和74LS154（4线-16线译码器）。
【139――24；154――416】
下面介绍常用的译码器芯片。
（1）74LS138
3-8译码器，有3个数据输入端，经译码后产生8种状态。引脚如图11-4所示，真值表见表11-1。由表11-1可见，当译码器的输入为某一固定编码时，其输出仅有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。输出为低电平
的引脚就作为某一存储器芯片的片选信号CS或CE。
表11-1 74LS138真值表
注：1表示高电平，0表示低电平，×表示任意【C为高位，A为低位】【G1接高电平，/G2A和/G2B接低电平】
【G1、2
G B必须分别为：“1”、“0”、“0”】
G A、2
图11－4 74LS138引脚图
先看一个简单的例子：【已通过138】
#include
void Delay(unsigned int count) // 延时子函数
{ unsigned char i;
while(count--)
for(i=0;i<120;i++); // 延时1ms
}
void main()
{ P2 = 0x00;
while(1)
{ P2 = (P2+1)%8; // 结果分别为1，2，3，4，5，6，7，0 Delay(500);
}
}
（2）74LS139
双2线-4线译码器。这两个译码器完全独立，分别有各自的数据输入端、译码状态输出端以及数据输入允许端，其引脚如图11-5所示，真值表见表8-2（只给出其中一组）。
图11－5 74LS139引脚图
【/1G、/2G接低电平。B为高位，A为低位】
#include
void Delay(unsigned int count) // 延时子函数
{
unsigned char i;
while(count--)
for(i=0;i<120;i++); // 延时1ms
}
void main()
{
P2 = 0x00;
while(1)
{
P2 = (P2+1)%4; // 结果分别为1，2，3，0
Delay(500);
}
}
（3）74LS154
D、C、B、A：译码地址输入端（低电平有效），D为高位
G、2
G：选通端（低电平有效）
1
0～15：输出端（低电平有效）
功能表：
说明： H－高电平；L－低电平；X－任意；*－其他输出为高电平
#include
void Delay(unsigned int count) // 延时子函数
{
unsigned char i;
while(count--)
for(i=0;i<120;i++); // 延时1ms
}
void main()
{
P2 = 0x00;
while(1)
{ P2 = (P2+1)%16; // 结果分别为1，2，3，4，5，6，7，8 Delay(500); // 9,10,11,12,13,14,15,0
}
}