单片机 扩展模块设计

单元9 扩展模块 回顾 1，数据通信有哪些方式？ 2，8051单片机串行通信通过哪些管脚完成？ 3，8051单片机串行通信有几种工作方式？ 4，波特率的定义是什么？8051单片机设置波特率的步骤？ 5，Max232芯片作用是什么？ 本单元任务 任务1 扩展程序存储器 任务2 扩展数据存储器 任务3 扩展I/O 任务1 扩展程序存储器 任务描述： 任务分析： 客户要求程序存储的容量不能少于8KB，以便项目今后能够程序升级，并能进行功能扩充 8051单片机片内程序存储器的存储容量只有4KB，不能满足客户需求，因此必须进行存储扩展，8051单片机有8位数据线，16位地址线，因此可以通过外部扩展的来增大程序存储器容量 1.半导体存储器基本知识 只读存储器ROM ：ROM（Read Only Memory）是只读存储器。ROM中所存储的信息是固定的、非易失性的，不会因为停电而消失。在正常工作状态下，ROM中的信息只能读不能写，即不能修改ROM的内容，数据读出后原数据不变。ROM通常用来存储控制程序和控制常量 掩模ROM PROM EPROM （EEPROM ） Flash Memory 随机存取存储器RAM RAM（Random Access Memory）是随机存取存储器。正常工作时信息既可读出又可写入。数据读出后原数据不变，新数据写入后，原数据自然消失，并被新数据代替。因此，RAM存储器可以用来存储实时数据、中间数据、最终结果或作为程序的堆栈区使用。但是，RAM是易失性存储器，掉电后其数据随即消失。 RAM通常可分为静态RAM和动态RAM两大类，其差别主要在于基本存储电路存储信息的方式不同。静态RAM依靠触发器来存储二进制信息，存储容量较小。动态RAM依靠存储电容来存储二进制信息，存储容量大 2.单片机存储器扩展的实现 P0口线用作数据线/低8位地址线 P0口线具有地址线/数据线双重复用功能，以ALE为锁存控制信号，选择高电平或下降沿选通的锁存器作为地址锁存器（通常使用的锁存器是74LS373或74LS273），确保低8位地址信息在消失前被送入锁存器暂存起来，从而实现了对地址和数据的分离 P2口线用作高8位地址线 P2口线用于进行高8位地址线的扩展。由于只具有地址线扩展的功能，P2口线可直接与存储器芯片的地址线相连，无需锁存。P2与P0提供的16根地址线实现了51单片机系统64KB的寻址范围 控制信号 （1）ALE是锁存信号，用于进行P0口地址线和数据线的隔离。 （2） 是程序存储器读选通控制信号。 （3） 是程序存储器访问控制信号。当它为低电平时，对程序存储器的访问仅限于外部存储器；为高电平时，对程序存储器的访问从单片机的内部存储器开始延至外部存储器。 （4） 、 是外部数据存储器的读/写选通控制信号 3.片选方式及地址映像 片选方式研究多个芯片扩展时的连线，从而保证对存储芯片访问的惟一性。地址映像则研究各存储器芯片在整个存储空间中所占据的地址范围，从而为存储器的使用提供依据 片选方式 存储器编址是扩展存储器的重点。所谓存储器编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当的连接，最终达到一个编址唯一地对应存储器中一个存储单元的目的。通常的单片机系统都会扩展多片存储器芯片，因此存储器编址应从两个方面进行考虑： （1）存储芯片的选择，即片选。用来解决与芯片的片选端连接问题； （2）芯片内部存储单元的选择，用来解决与芯片的地址线连接问题。 芯片的选择有两种方式：线选和译码 （1）线选方式 ：直接以系统的高地址作为存储芯片的片选信号，为此只需把用到的地址线与存储器的片选端直接连接即可。同时最多只能有一个存储器芯片被选中，此时，与被选中芯片相连的地址线有效，其他用于线选的地址线均无效 （2）译码方式 ：使用译码器对系统的高位地址进行译码，以译码输出作为存储芯片的片选信号。这是一种最常用的片选方式，能有效利用存储空间，适用于大容量多芯片存储器的扩展 当扩展的同类存储器芯片的存储容量相同时，译码方式可产生连续的地址映像，充分利用存储空间。具体做法是： （1）若用于地址线扩展的P2口线是~，则从起与译码器输入选择端依照高低次序进行连接。 （2）多个芯片的片选端依次与相邻的译码输出端相连。 下面以扩展多片存储容量为2KB的存储器芯片为例进行说明。则每片存储器的地址线数量为11条（A10~A0），即P0经锁存器后为地址低8位（A7~A0），P2口的~用于地址扩展（A10~A8），译码电路则从P2.3起始，若采用74LS138作为译码器，电路如下 地址映像 对存储器芯片进行地址映像，是对存储器进行访问的前提。现在以扩展2KB存储容量的芯片进行说明。如图9-3所示，设4片存储芯片的片选端分别与Y0、Y1、Y2、Y3相连，则扩展4片存储器芯片时，P2、P0口各引脚连线对应关系如下 其中 ~ 、 ~ 用于片内地址的选择，范围从000 0000 0000B到111 1111 1111B。 ~ 用于芯片的选择，由于4#芯片的片选端与Y3相连， ~ 为011B时，用于选中4#芯片。这里设P2.7和P2.6为全0，则4#芯片的地址范围是1800H~1FFFH。同样地，3#芯片的地址范围是1000H~17FFH，2#芯片的地址范围是0800H~0FFFH，1#芯片的地址范围是000H~07FFH。这4片芯片的地址是完全连续。 4.地址锁存器及EPROM，EEPROM芯片介绍 地址锁存器 由于51单片机的P0口是数据和地址总线分时复用的，因此在进行单片机的程序存储器外部扩展时，就必须应用地址锁存器将P0口送出的低8位地址信号从地址/数据总线中分离出来。 程序存储器扩展时，地址锁存信号为ALE，地址锁存器可使用带有三态缓冲输出的8D74LS373，也可以使用带清除端的8D74LS273等 74LS373作为地址锁存器使用时，它们的锁存控制端G可直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，以便在ALE的下降沿信号到来时进行地址锁存；当应用74LS273作为地址锁存器时，由于该芯片要求CLK端上沿锁存，因此单片机输出的ALE控制信号必须经过一个反相器后才能连接到74LS273的CLK端 常用程序存储器EPROM、EEPROM简介 紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM，以前常用作51系列单片机的外部程序存储器，常见的型号有：2764（8K×8），27128（16K×8），27256（32K×8），27512（64K×8）等。现在这种存储器基本已被淘汰，代替它们的是型号中间带C的CMOS电可擦除程序存储器：27C64，27C128，27C256，27C512 电擦除可编程只读存储器EEPROM是常用的另一种单片机外扩程序存储器。其主要特点有（1）对硬件电路没有特殊的要求，操作十分简便。由于EEPROM片内设有编程所需的高电压脉冲产生电路，因而无需外加编程电源和编程脉冲即可完成写入工作；（2）采用+5V电擦除的EEPROM后，通常不需要设置单独的擦除操作，在对芯片进行编程同时完成自动擦除工作；（3）不仅可用于外扩程序存储器也可用于外扩数据存储器。常用的EEPROM有2816，2817A，2864，28C04，28C16，28C17，28C64等 【课堂思考】请分别查找芯片27C128、2817A、28C64的引脚及其功能 1.引脚功能 2.逻辑连线 3.地址映像 任务实施（扩展1片27C64 ） 引脚功能 ： 27C64是一种8K×8位的电可擦除只读存储器，其工作电压是+5.0V，存取时间为120ns，容量为64K位，动作电流20mA，采用单独的芯片允许和输出允许控制。常用的27C64为28管脚PID（双列直插）封装 逻辑连线 （1）8051的引脚P0.7~P0.0直接与27C64的数据线D7~D0相连，完成数据线扩展。 （2）8051的引脚P0.7~P0.0经过锁存器与27C64的地址线A7~A0相连，P2.4~P2.0直接与27C64的地址线A12~A8相连，完成地址线扩展。 （3）8051的程序存储器访问控制 与27C64的输出允许端相连完成控制线的扩展。 （4）8051的引脚P2.5经非门与27C64片选端相连，进行芯片选择控制。 （5）8051的端接地，对程序的访问完全在片外进行 地址映像 P2.7、P2.6与寻址无关，均设为“1”。P2.5经非门与片选端相连，当它为“1”时，可使片选段有效。因此，此片27C64的地址范围是0E000H~0F000H 【课堂思考】若扩展三片27C64，地址范围从0A000H开始，应如何实现？ 【Task9-1】扩展1片27C64，程序装在27C64，运行点亮LED流水灯。 （1）电路设计：单片机EA脚接地，通过74LS373扩展1片27C64。流水灯安装在P1口上。 （2）程序设计 void main() { while(1) { P1=led_light[i++]; delay(); if(i==8)i=0; } } void delay() { unsigned char t1,t2; for(t1=0;t1<200;t1++) for(t2=0;t2<200;t2++); } 任务2扩展数据存储器 任务描述： 任务分析： 客户同时还要求数据存储的容量不能少于2KB，以方便项目今后能满足扩充要求。 当一个项目涉及到大量的数据时，就可能会超过单片机片内数据存储器的存储容量（8051单片机数据存储容量实际只有128B），然而由于其16位地址线，最大可寻址64KB字节，因此仍可以通过外部扩展的方法来增大数据存储器容量 1. RAM扩展原理 扩展RAM和扩展ROM类似，由P2口提供高8位地址，P0口分时地作为低8位地址线和8位双向数据总线。片外RAM的读 和写 由8051的 和 信号控制，所以，虽然与ROM的地址重叠，但不会发生混乱 2.常见的数据存储器 目前，常用的数据存储器SRAM芯片有6116、6264、62256等， Ai~A0：地址输入线，i=10/12/13/14（6116/6264/62128/62256）。 D7~D0：三态双向数据线。 ：片选信号输入线，低电平有效。 ：读选通信号输入线，低电平有效。 ：写选通信号输入线，低电平有效。 ：6264的片选信号输入线，，高电平有效，可用于掉电保护。 示该管脚不用。 1.逻辑连线 2.地址映像 任务实施（扩展1片6116 ） 逻辑连线 ①数据线扩展。8051的引脚P0.7~P0.0直接与6116的数据线D7~D0相连。 ②地址线扩展。8051的引脚P0.7~P0.0经过锁存器与6116的地址线A7~A0相连，P2.4~P2.0直接与6116的地址线A12~A8相连。 ③8051读访问控制端 与6116的输出允许端 相连；写访问控制端 与6116写选通信号端 相连；P2.3与片选信号 相连完成控制线的扩展。 ④芯片选择。 外部数据存储器扩展时的数据线扩展、地址线扩展、芯片选择方法与程序存储器扩展时的方法完全相同 地址映像 P2.7~P2.4与寻址无关，均设为“1”，P2.3为0选中芯片，因此，此片6116的地址范围是0F000H~0F700H 【Task9-2】扩展1片27C512、1片6264。程序全部装在27C512，通过向6264存储器地址1000h、1001h写入点亮LED编码，再读取1000h、1001h编码点亮LED灯。 （1）电路设计：单片机EA脚接地，通过74LS373扩展1片27C512、1片6264 。LED灯安装在P1口上。 （2）程序设计 #define LED1 0x1000 #define LED2 0x1001 unsigned char led_light[]={0x55,0xaa}; //点亮LED编码 unsigned char i; void main() { XBYTE[LED1]=led_light[0]; //写入外部RAM地址1000h、10002h delay1(); //写入延时 XBYTE[LED2]=led_light[1]; delay1(); while(1) { i=XBYTE[LED1]; P1=i; delay(); i=XBYTE[LED2]; P1=i; delay(); } } 任务3扩展I/O 任务描述： 任务分析： 客户提出项目今后可能需要接更多的外部设备，因此需要预留更多的IO口，才能满足项目的扩展需求。 8051单片机有4个IO，共32位IO，然而其LED模块，显示模块，按键模块等电路已经占用了不少IO，要满足今后的扩展需要，唯一的办法就是扩展IO，即让单片机能使用的IO口超过本身自有的32位 1.扩展IO基础知识 由于MCS-51单片机的外部数据存储器RAM和I/O是统一编址的，因此，用户可以把外部64KB的数据存储器RAM空间的一部分作为扩展外部I/O的地址空间。这样，单片机就可以像访问外部RAM一样访问外部接口芯片，对其进行读写操作 2. 8255A可编程并行IO电路 8255A的结构及功能 （1）3个8位的I/O接口：A口、B口、C口 A口 具有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入/输出或双向寄存器。 B口 具有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。 C口 具有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。C口可分作两个4位口使用。它除了作为输入/输出口外，还可作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号。 （2）读/写控制逻辑 读/写控制逻辑的功能用于管理所有的数据、控制字或状态字的传送。它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号来控制各个口的工作状态，这些控制信号有： （片选信号） 低电平有效。允许8255A与CPU交换信息。 （读信号） 低电平有效。允许CPU从8255A端口读取数据或外设状态信息。 （写信号） 低电平有效。允许CPU将数据、控制字写入8255A中 （复位） 高电平有效。有效时，控制寄存器全部清0，所有端口置成输入方式 （端口选择信号） 它们与 、 信号相配合用来选择端口及内部控制寄存器，并控制信息传送的方向 A1 A0 操作 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 x x 1 1 x x 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 x x 1 0 1 0 1 1 0 A口→数据总线 B口→数据总线 C口→数据总线 数据总线→A口 数据总线→B口 数据总线→C口 数据总线→控制寄存器 数据总线为三态 非法状态 数据总线为三态 （3）A组和B组控制电路 这是两组根据CPU命令控制8255A工作方式的电路。每组控制电路从读、写控制逻辑接收各种命令，从内部数据总线接收控制字（指令），并发出适当的命令到相应的端口。 A组控制电路控制A口及C口的高4位。 B组控制电路控制B口及C口的低4位。 （4）数据总线缓冲器 这是一个双向三态的8位缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A间传送信息 8255A的工作方式选择 （1）方式0（基本输入/输出方式） 这种工作方式不需要任何选通信号。A口、B口及C口的高4位和低4位都可以设定为输入或输出。作为输出口时，输出的数据被锁存；作为输入口时，输入数据不锁存。 （2）方式1（选通输入/输出方式） 这种工作方式下，A、B、C3个口分为两组：A组包括A口和C口的高4位，A口可由编程设定为输入口或输出口，C口的高4位用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B组包括B口和C口的低4位，B口同样可由编程设定为输入口或输出口，C口的低4位用来作为输入/输出操作的控制和同步信号。A口和B口的输入数据或输出数据都被锁存。 （3）方式2（双向总线方式） 在这种工作方式下，A口为8位双向总线口，C口的PC3~PC7用来作为输入/输出的同步控制信号。在这种情况下，B口和PC0~PC2只能编程为方式0或方式1工作 8255A的控制字 例9-1：将B8H（10111000B）写入控制寄存器后，则8255A设置A口为方式1输入，B口为方式0输出，C口高4位为方式1输入，C口低4位为方式0输出。 例9-2：将0BH（00001011B）写入控制寄存器后，则8255A的PC5置1 8255A与MCS-51单片机的连接电路如图9-13所示。图中：8255A的片选信号 及端口地址选择线A1、A0分别由8051的P0.7、P0.1、P0.0经74LS373锁存后提供；8255A的 、分别接8051的 、 ；8255A的D0~D7接8051的P0.7~P0.7。该电路中8255A的A口、B口、C口以及控制口的地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH和FF7FH 任务实施（扩展1片8255A ） 【Task9-3】扩展1片8255A。按键和LED灯安装在8255A中，通过读入B口按键状态，输出点亮A口相连的LED灯的过程。 （1）电路设计：扩展1片8255A 。LED灯安装在PA口上，按键安装在PB口中。 （2）程序设计 #define PORTA 0x7CFF //A口 注意：8255A的A1、A0与单片机的P2.1、P2.0相连 #define PORTB 0x7DFF //B口 #define PORTC 0x7EFF //C口 #define CADDR 0x7FFF //控制字地址 unsigned char i; void main() { XBYTE[CADDR]=0x82; //设置8255A工作方式0，A、C口输出，B口输入 while(1) { i=XBYTE[PORTB]; //读入B口 XBYTE[PORTA]=i; //输出到A口 } } 小结 8051单片机内部只有4K程序存储器、128B可用的数据存储器，对16位地址总线的51系列单片机，其寻址空间为216=65535，即64K字节，地址从0000H~0FFFFFH，因此8051单片机程序存储器和数据存储器均可扩展为64KB。 8051单片机共有32位I/O，当采用外部程序存储器或数据存储器时，由于地址总线的应用，致使单片机可用I/O减少到14个左右，因此单片机外围要连接的设备较多时，势必会出现I/O口不够用的情况，因而在实际应用中，也需要对单片机的I/O口作一定的扩展。I/O扩展常选用8255A或8155芯片 作业 技能拓展一选择题 技能拓展二设计题 谢谢！