单片机技术及应用第十章MCS51系统扩展及接口技术.ppt
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1、单 片 机 技 术 及 应 用,第10章 MCS-51系统扩展及接口技术,单片机技术及应用,教学提示 本章重、难点在于单片机存储器扩展方法、并行I/O口的扩展方法、可编程芯片8255及8155的应用、显示技术与键盘接口技术、A/D转换和D/A转换的工作原理。教学目标理解单片机最小系统与外围扩展的必要性。理解单片机系统扩展接口技术。掌握单片机系统扩展显示技术与键盘接口技术。MCS-51单片机存储器扩展的实现。MCS-51单片机并行接口扩展的实现。MCS-51单片机A/D转换和D/A转换的实现。,单片机技术及应用,10.1 单片机系统扩展概述 虽然MCS-51系列单片机芯片内部集成了计算机的基本功
2、能部件,但由于片内ROM、RAM的容量及输入/输出端口等是有限的,在许多实用系统中,还需要在片外连接相应的外围芯片对功能进行扩展,以满足应用要求。,10.1.1 单片机应用系统扩展要求 MCS-51系列单片机能提供很强的扩展功能,可以直接外接标准的存储器电路和I/O接口电路,以构成功能很强、规模较大的系统。所谓系统扩展一般说来有以下两项主要任务:第一项是把系统所需的外设与单片机连起来,使单片机系统能与外界进行信息交换。例如,通过键盘、传感器、A/D转换器、磁带机、开关等外部设备向单片机送入数据、命令等有关信息,去控制单片机运行,通过显示器、发光二极管、打印机、继电器、音响设备等把单片机处理的结
3、果送出去,向人们提供信息或对外界设备提供控制信号,这项任务实际上就是单片机接口设计。另一项是扩大单片机的容量。由于芯片结构、引脚等关系,单片机内ROM、RAM、I/O口等功能部件的数量不可能很多,在使用中有时会感到不够,因此需要在片外进行扩展,以满足实际系统的需要。,10.1.2 单片机常用扩展芯片,在单片机应用系统中,单片机本身所提供的资源如I/O口、定时器/计数器、串行口等往往不能满足要求,因此需要在单片机上扩展其他外围接口芯片。由于MCS-51系列单片机的外部RAM和I/O口是统一编址的,因此用户可以把单片机外部64KB的RAM空间的一部分作为扩展I/O的地址空间。这样,单片机就可以像访
4、问外部RAM存储器那样访问外部接口芯片,对其口进行读写操作。,表10-1 MCS-51单片机常用外围芯片,10.2 存储器扩展,10.2.1 存储器扩展概述1存储器扩展总线的组成(1)数据传送:由数据总线DB(D0D7)完成;D0D7由P0口提供。(2)单元寻址:由地址总线AB(A0A15)完成;低8位地址线A0A7由P0口提供,高8位地址线A8A15由P2口提供。(3)交互握手:由控制总线CB完成。控制线有PSEN、WR、RD、ALE、EA。,2存储器扩展能力,存储器可分别扩展64KB ROM(包括片内ROM)和64KB片外RAM。地址为0000HFFFFH。因为程序存储器和数据存储器通过不
5、同的控制信号和指令进行访问,允许两者的地址空间重叠,所以片外可扩展的程序存储器和数据存储器都为64KB。另外,在MCS-51单片机中,扩展的外部设备与片外数据存储器统一编址,即外部设备占用片外数据存储器的地址空间。因此,片外数据存储器同外部设备总的扩展空间是64KB。,MCS-51控制总线,有以下几条:(1)ALE:输出,用于锁存P0口输出的低8位地址信号,与地址锁存器门控端G连接。(2)PSEN:输出,用于片外ROM读选通控制,与片外ROM输出的允许端OE连接。(3)EA:输入,用于选择读片内/外ROM。EA=1,读片内ROM;EA=0,读片外ROM。一般情况下,有并且使用片内ROM时,EA
6、接VCC;无片内ROM或仅使用片外ROM时,EA接地。这里要注意的是,MCS-51单片机有一个管脚EA跟程序存储器的扩展有关。如果EA接高电平,那么片内存储器地址范围是0000H0FFFH(4KB),片外程序存储器地址范围是1000HFFFFH(60KB)。如果EA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 0000HFFFFH(64KB)。8031单片机没有片内程序存储器,因此EA管脚总是接低电平。(4)RD:输出,用于读片外RAM选通,执行MOVX读指令时RD会自动有效,与片外RAM读允许端OE连接。(5)WR:输出,用于写片外RAM选通,执行MOVX写指令时WR会自动有效
7、,与片外RAM写允许端WE连接。(6)P2.X:并行扩展片外RAM和I/O时,通常需要片选控制 一般由P2口高位地址线担任。,10.2.2 程序存储器扩展,MCS-51应用系统通常为特定功能的专用计算机系统。在系统调试完毕后,其软件基本上定型,因此,MCS-51的程序存储器通常由ROM或EPROM或E2PROM电路构成。其特点是掉电以后,内部的程序信息不会丢失,因而提高了系统的可靠性。扩展程序存储器常用芯片有EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)型(紫外线可擦除型),另外还有+5V电可擦除E2PROM等。如果程序总量不超过4KB,一般选用具有
8、内部4KB 存储器的单片机,若不够还可选用8KB或16KB内存的单片机,如89S52等。,如果程序总量较大时超过上述字节,则利用外部扩展存储器来存放程序。但在单片机应用系统硬件设计中应注意,原则上一般尽量不扩展外部程序存储器,尽量减少芯片使用个数MCS-51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路如图10-1所示。,在CPU访问外部程序存储器时,P2口输出地址高8位(PCH),P0口分时输出地址低8位(PCL)和送指令字节,其时序波形如图10-2所示。,控制信号ALE上升为高电平后,P0口输出地址低8位(PCL),P2口输出地址高8位(PCH),由ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址锁存到外部地址
9、锁存器中。接着P0口由输出方式变为输入方式即浮空状态,等待从程序存储器读出指令,而P2口输出的高8位地址信息不变,紧接着程序存储器选通信号PSEN 变为低电平有效,由P2口和地址锁存器输出的地址对应单元指令字节传送到P0口上供CPU读取。,从图10-2中还可以看到,MCS-51的CPU在访问外部程序存储器的机器周期内,控制线ALE上出现两个正脉冲,程序存储器选通线PSEN上出现两个负脉冲,说明在一个机器周期内CPU访问两次外部程序存储器。对于时钟选为12MHz的系统,PSEN的宽度为230ns,在选用EPROM芯片时,除了考虑容量之外,还必须使EPROM的读取时间与主机的时钟匹配。,下面分别介
10、绍外部扩展程序存储器EPROM和E2PROM的方法及这两种形式的存储器与MCS-51系列芯片的连接。1EPROM接口设计 紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM可作为MCS-51系列芯片的外部程序存储器,其典型的产品有2716(2K8bit)、2732(4K8bit)、2764(8K8bit)、27128(16K8bit)和27256(32K8bit)等。这些芯片上均有一个玻璃窗口,在紫外光下照射520min,存储器中的各位信息均变为1,此时,可以通过相应的编程器将工作程序固化到这些芯片中。2716、2732现在停产了,要买很难且价又贵。下面介绍2764的EPROM存储器。2764是一种8K8
11、bit的紫外线擦除电可编程只读存储器,单一+5V供电,工作电流为100mA,维持电流为50mA,读出时间最大为250ns。,2764为28线双列直插式封装,其管脚配置如图10-3所示,A0A12:地址线。OE:数据输出选通线。D0D7:数据输出线。PGM:编程脉冲输入。CE:片选线。VPP:编程电源。2764的5种工作方式如表10-2所示。图10-4给出了2764与8031的硬件连接。,表10-2 2764工作方式选择,2E2PROM接口设计 电可擦除可编程只读存储器E2PROM是近年来国外厂家推出的新产品,它的主要特点是能在计算机系统中进行在线修改,并能在断电的情况下保持修改的结果。因此,自
12、从E2PROM问世以来,在智能化仪器仪表、控制装置、终端机、开发装置等各种领域中受到极大的重视。下面介绍2864A型E2PROM存储器。Intel的2864A是8K8bit的电可擦除可编程只读存储器,单一+5V供电,最大工作电流为140mA,维持电流为60mA。由于其片内设有编程所需的高压脉冲产生电路,因而无需外加编程电源和写入脉冲即可工作。采用典型的28脚结构,与常用的8KB静态RAM的6264管脚完全兼容。内部地址锁存,并且有16B的数据“页缓冲器”,允许对页快速写入,在片上保护和锁存数据信息。提供软件查询的标,志信号,以判定数据是否完成对E2PROM的写入,芯片的引脚、结构如图10-5所
13、示。其引脚功能如下:A0A12:地址线。OE:输出使能端。I/O0I/O7:数据线。WE:写使能端。CE:片选线。,2864A与8031的硬件连接如图10-6所示。图中采用了将外部数据存储器空间和程序存储器空间合并的方法,即将PSEN信号与RD信号相“或”,其输出作为单一的公共存储器读选通信号。这样,8031即可对2864A进行读/写操作了。此外,为了简单起见,图中2864A的片选信号端 接P2.5,在实际应用中通过74LS138译码器输出片选信号。,10.2.3 数据存储器的扩展,MCS-51芯片内部具有128B的RAM存储器,它们可以作为工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器。CPU对其内
14、部RAM有丰富的操作指令,因此这个RAM是十分珍贵的资源,应合理、充分地使用片内RAM存储器,发挥它的作用。在诸如数据采集处理的应用系统中,仅有片内的RAM存储器往往是不够的,在这种情况下,可利用MCS-51系列产品扩展外部RAM存储器。本节以8051为例讨论外部数据存储器的扩展方法。,1MCS-51访问外部RAM的定时波形 图10-7给出了单片机扩展RAM的电路结构。图中P0口为分时传送的RAM低8位地址/数据线,P2口的高8位地址线用于对RAM进行页寻址。在外部RAM读/写周期,CPU产生RD/WR信号。,MCS-51单片机与外部RAM单元之间数据传送的定时波形如图10-8所示。,在图10
15、-8(a)所示的外部数据存储器读周期中,P2口输出外部RAM单元的高8位地址(页面地址),P0口分时传送低8位地址及数据。当地址锁存允许信号ALE为高电平时,P0口输出的地址信息有效,ALE的下降沿将此地址打入外部地址锁存器,接着P0口变为输入方式,读信号RD有效,选通外部RAM,相应存储单元的内容出现在P0口上,由CPU读入累加器.,外部数据存储器写周期波形如图10-8(b)所示,其操作过程与读周期类似。写操作时,在ALE下降为低电平以后,WR信号才有效,P0口上出现的数据写入相应的RAM单元。常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种,由于静态RAM无需考虑刷新问题,所以接口简单且是最常
16、用的。下面就以静态RAM为例加以讨论。,2数据存储器的扩展设计(1)6264静态RAM 6264是8K8bit的静态随机存储器芯片,它采用CMOS工艺制造,由单一+5V供电,额定功耗200mW,典型存取时间为200ns。为28线双列直插式封装,其管脚配置如图10-9所示。引脚功能如下:,由于数据存储器的地址空间和程序存储器占有的地址空间是相同的,所以在某些应用中,要执行的程序的地址与存放数据的地址相同。在8051中可以用PSEN信号和RD信号相或,使外部程序存储器与外部数据存储器的存储空间重叠而又能分别访问。,10.3 I/O 口扩展设计,当CPU与外部设备连接时,并行接口是经常使用的。对51
17、系列来说,如果带有外部存储器,则只有P1口可以完全用作并行口对外部设备连接,I/O接口的数目显然很不够。可以用来进行并行口扩展的芯片种类主要有:专用并行口电路,如前面介绍的专用并行口电路,如8255;综合扩展电路,如8155;TTL或CMOS电路,如74LS373、74LS377、74LS244等。,10.3.1 8255可编程并行接口芯片,8255是一种可编程序的并行I/O接口芯片。8255有24条I/O引脚,分成A、B两大组(每组12条),允许分别编程,工作方式可分为方式0、方式1和方式2这3种。使用8255可实现以下各项功能:(1)并行输入或输出多位数据。(2)实现输入数据锁存和输出数据
18、缓冲。(3)提供多个通信接口联络控制信号(如中断请求、外设准备好及选通脉冲等)。(4)通过读取状态字可实现程序对外设的查询。显而易见,这些功能可适应于很大一部分外设接口的要求,因而并行I/O接口芯片几乎已成为微机中(尤其是单片机)应用最为广泛的一种芯片。,1.8255的内部结构和引脚排列 图10-11所示为8255的内部结构和引脚排列。1)内部结构 8255可编程接口由以下4个逻辑结构组成:(1)A口、B口和C口。A口、B口和C口均为8位I/O数据口,但结构上略有差别。A口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲/锁存器组成。B口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据
19、输入缓冲器组成(无锁存,决定了B口不能工作在方式2)。在使用上3个端口都可以和外设相连,分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。,(2)A、B组控制电路。这是两组根据CPU的命令字控制8255工作方式的电路。A组控制A口及C口的高4位,B组控制B口及C口的低4位。(3)数据缓冲器。这是一个双向三态8位的驱动口,用于和单片机的数据总线相连,传送数据或控制信息。(4)读、写控制逻辑。这部分电路接收MCS-51送来的读、写命令和选口地址,用于控制对8255的读、写。,2)引脚 8255采用40线双列直插式封装,如图10-11所示。(1)数据线(8条)。D0D7为数据总线,用于传送CPU和8255之间
20、的数据、命令和状态字。(2)控制线和寻址线(6条)。RESET:复位信号,输入高电平有效。一般和单片机的复位端相连,复位后,8255所有内部寄存器清0,所有口都为输入方式。RD和WR:读、写信号线,输入,低电平有效。当RD为0时(WR必为1),所选的8255处于读状态,8255送出信息到CPU;反之亦然。,CS:片选线,输入,低电平有效。A0、A1:地址输入线。当CS=0芯片被选中时,这两位的4种组合00、01、10、11分别用于选择A、B、C口和控制寄存器。(3)I/O口线(24条)。PA0PA7、PB0PB7、PC0PC7为32条双向三态I/O总线,分别和A、B、C口相对应,用于8255和
21、外设之间传送数据。(4)电源线(2条):VCC为+5V,GND为地线。,2.并行端口信号(1)PA7PA0(双向):A端口的并行I/O数据线。(2)PB7PB0(双向):B端口的并行I/O数据线。(3)PC7PC0(双向):当8255工作于方式0时,PC7PC0为两组并行I/O数据线。当8255工作于方式1或方式2时,PC7PC0将分别供给A、B两组转接口的联络控制线,此时每根线赋予新的含义。端口地址:8255中有3个输入输出端口。另外,内部还有一个控制寄存器,共有4个端口,有A1、A0来加以选择。A1、A0和RD、WR及CS组合所实现的各种功能如表10-4所示。,使用时一般将A1、A0接入地
22、址总线的低2位,因而一块8255芯片占用4个设备地址,分别对应于端口A、端口B、端口C和控制寄存器。,3三种工作方式及控制字/状态字 8255有两个控制字和一个状态字。两个控制字均在A1A0为11的情况下发送,共用一个设备地址。如果控制字的最高位为1,表示是工作方式控制字,最高位为0,则表示是按位置数控制字(图10-12)。工作方式控制字用于规定端口的工作方式,分别由3位及4位对B、A两组进行设定。按位置数控制字用于对端口C的I/O引脚的输出进行控制。其中D3D1指示输出的位数;D0指示输出的值;“0”输出低电平,“1”输出高电平。显然,利用按位置位/复位控制字可使端口C中每一位分别产生输出,
23、而对其他各位不造成影响。,8255没有专门的状态字,而是当工作于方式1和方式2时,读取端口C的数据,即得状态字,如图10-13所示。当状态字中有效信息位不满8位时,所缺的即为对应端口C引脚的输入电平。,下面根据8255的不同工作方式,对控制字和状态字进行叙述。(1)方式0(基本输入/输出)。采用图10-14所示格式的工作方式控制字,可设定8255工作于方式0。方式0将24条I/O引脚分成4组(PA7PA0,PB7PB0,PC7PC4,PC3PC0),可提供基本的输入/输出功能,但不带联络信号或选通脉冲。方式0可将数据并行写到(输出)某个端口锁存,外部数据也可通过某个端口缓冲后并行读入(输入)到
24、CPU。方式0共有16种不同的输入/输出结构组合。,(2)方式1(带联络信号的输入/输出)。根据图10-15所示的控制字格式,可设定8255工作于方式1。方式1能分别指定PA、PB作为两个独立的8位并行I/O端口,并采用原端口C中的部分引脚作为PA和PB的控制联络信号线(每组3条)。当采用方式1工作时,PA和PB的功能是完全相同的,但端口作为数据输入口或数据输出口时都具有不同的联络信号线和不同的工作波形。现分别叙述如下。,端口A(或B)被定义为方式1并行输入时,内部控制电路便自动提供两个状态触发器,即中断允许触发器INTE和“输入数据缓冲器满”触发器IBF,同时还借用原端口C引脚作为IBF的输
25、出端、选通信号STB的输入端和中断请求INTR信号的输出端。INTE触发器用于控制本端口是否允许请求中断,也即只有当INTE为1时才能允许该端口发出中断请求信号(INTR)。INTE的取值与原端口C的某一位相连,因此在启用端口前应通过按位置数控制字将INTE置位,结束前又可将之清零,如表10-5所示。INTE对外没有输出端,只能通过读状态字了解它的状态。,当CPU从端口读入数据以后,由于RD低电平的来到及IBF被清零,INTR也被复位。数据输入的整个过程如下:当端口被控制字指定为采用方式1输入以后,工作前还应发送按位设置控制字,将INTE置1。由于端口没有数据,IBF触发器为0。当外设通过IB
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