接口技术和系统扩展4扩张总线5存储器6接口

接口技术和系统扩展4扩张总线5存储器6接口
6.4 单片机系统扩展总线
1. MCS-51单片机扩展结构特点
扩展都是通过接口来扩展，需要注意I/O口的结构特点。

⑴ I/O口的复用和多用
① I/O口的复用：由于受到引脚数限制，P0口复用，既作低8位地址线，又作数据线，但分时使用，用ALE信号锁存切换。

② I/O口的多用：P3口可作通用I/O口，在扩展时，具有“第二功能”。

P3.0 RXD P3.2 INT0 P3.4 T0 P3.6 WR
P3.1 TXD P3.3 INT1 P3.5 T1 P3.7 RD
⑵产生接口控制信号的指令
MCS-51无I/O专用指令，把I/O寄存器看成存储器的一部分，所以对I/O 寄存器的操作都用数据传输指令。

①输入指令
MOV A,P1
MOV @Ri,P1 MOV Rn,P1 MOV direct,P1
MOVX A,@Ri
MOVX A,@DPTR
②输出指令
MOV P1,A
MOV P1,@Ri MOV P1,Rn MOV P1,direct
MOVX @Ri,A
MOVX @DPTR,A
2. 扩展总线
由于数据线与低8位地址线复用P0口,为了把它们分离与片外芯片相连，通常要加锁存器才能构成总线结构。

6.5 存储器扩展
1. EPROM扩展
(1) 程序存储器有独立的地址空间(0000H～FFFFH)，可寻址范围64 kB。

程序存储器与数据存储器共用地址总线和数据总线
(2) 对片内有ROM/EPROM 的单片机，片内ROM 与片外ROM采用相同的操作指令，片内与片外程序存储器的选择靠硬件结构实现，即由EA的高低电平来选择。

(3) 虽然程序存储器与数据存储器地址重叠，但不会发生冲突。

因为程序存储器使用单独的控制信号和指令，用PSEN作为读操作信号，读取数据用MOVC查表指令。

而读取数据存储器用RD信号和MOVX指令，
(4) 随着大规模集成电路的发展，单片程序存储器的容量越来越大，构成系统时所使用的EPROM芯片数量越来越少，因此地址选择大多采用线选法，而不用地址译码法。

若当前DPTR数据指针另有它用，又需访问整个64 k外部RAM，这时低8位地址仍用Ri ( i＝0或1)寄存器间接寻址，而高8位可采用预先通过P2口输出地址码的方法。

例如：
MOV P2，#02H ；P2口预置高位字节地址02H
MOV R1，#25H ；低8位地址25H送R1
MOVX A，＠R1 ；将0255H内容送A
或MOVX ＠R1，A ；将A内容送0255H单元
3. 片选方法及其地址空间
在一个较复杂的应用系统中，有时需扩展多片存储器。

多片扩展时，各片的数据线、地址线和控制线都并行挂接在系统三总线上，但每片的片选信号CE要分别处理。

产生片选控制信号的方法有两种，即线选法和译码法。

(1) 线选法
所谓线选法，即用所需的低位地址线进行片内存储单元寻址，余下的高位地址线可分别作不同芯片的片选信号，当某芯片对应的片选地址线输出有效电平时，该芯片被选中，作选通操作。

下图为采用线选法扩展3片2764A 的电路原理图。

从图可知，扩展3片2764A除CE片选信号外，其余完全同8031扩展一片2764A的电路设计。

图中三片2764A的三个片选端CE分别与8031的高位地址线P2.5、P2.6和P2.7相连。

当A13、Al4、A15分别为低电平时，选中对应的2764A芯片。

因此三片存储器各片的地址范围是：
2764A(1)地址范围：C000H～DFFFH
2764A(2)地址范围：A000H～BFFFH
2764A(3)地址范围：6000H～7FFFH
由此可见，该扩展系统的3片2764A，占用了全部16根地址总线，但寻址的范围之和却只有24 KB，且地址范围不连续。

实际上浪费了较大的地址空间。

因此线选法适用于系统中存储器和接口资源较少的情况。

⑵译码法
所谓译码法是指由低位地址线进行片内寻址，高位地址线经过译码器译码产生不同芯片的片选信号。

译码法又分为全译码和部分译码两种方式。

全译码方式是将所余的高位地址线全部参与译码，即作为译码器的输入线，译码器的输出作为片选线。

在全译码片选方式下，每个芯片的地址范围是唯一的，不存在地址重叠问题。

部分译码方式是取所余高位地址线中的部分线参与译码，译码器的输出作片选线。

这种方式下，由于未参与译码的高位地址线状态是不确定的，使得各芯片的地址不唯一，存在着地址重叠。

在译码法中，常用译码器有74LSL38和74LS139等。

74LS138是“3-8”译码器，有3个选择输入端，对应8种输入状态。

输出端有8个，每个输出端分别对应8种输入状态中的1种，低电平有效，即对应某一种输入状态，仅允许1个输出端为低电平，其余全为l 。

另外还有3个片选控制引脚G1、G2A 和G2B，只有当同时满足G1＝1、G2A＝0和G2B＝0时，才能选通译码器，否则译码器无输出有效。

74LS139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个片选端1/2G ，低电平选通；有2个选择输入(A、B)，4个译码输出(Y0～Y3 )，输出低电平有效。

这是采用74LS139译码器扩展3片2764A的电路原理图。

6.6 并行接口扩展
在应用系统中，通常需要使用较多的键盘和LED数码管显示器，就需要扩展I／O口来实现。

MCS-51单片机有32根I/O线，如果P0～P2口已用于扩展，用户只能用P1和部分P3口作为I/O线，不够用就需要扩展I/O口。

按MCS-51 的结构，扩展的I／O 口采取与外部RAM统一编址方法，即两者合用64 k地址空间。

因此，CPU可以像访问外部RAM 那样访问外部I／O口，对I／O口进行输入／输出操作。

I／O口扩展芯片主要有通用可编程并行接口芯片和TTL、CMOS锁存器、缓冲器电路芯片两大类。

常用的可编程并行接口芯片有
①8255 可编程并行接口:
含三个8位并行接口PA、PB和PC口。

②8155/56 （CE/CE）可编程多功能接口:
含三个并行接口PA(8)、PB(8)和PC(6)口
256个字节SRAM和1个14位定时器/计数器
8155可编程并行I／O接口的扩展
1．8155的引脚及内部结构
8155芯片为40引脚双列直插封装，单一的+5V电源，其引脚及内部结构如图所示。

AD7～AD0：三态地址/数复用总线。

与单片机的低8位地址/数据总线(P0口)相连。

IO／M：I／O口或RAM选择信号。

当IO／M＝1时，选择8155的I／O口，AD7～AD0上的地址为I／O口地址。

当IO／M＝0时，则选择8155的片内RAM，AD7～AD0上的地址为8155中RAM单元地址(00H～FFH)。

CE：片选信号，低电平有效。

ALE：地址锁存信号。

8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE，IO／M的状态都锁存到8155内部锁存器。

因此P0口输出的低8位地址信号不需要外接锁存器。

RD：读选通信号，控制对8155的读操作。

WR：写选通信号，控制对8155的写操作。

PA 7～PA0：8位通用I／O口，其输入输出的流向可由程序控制。

PB7～PB0：8位通用I／O口，功能同A口。

PC5～PC0：既可作6位通用I／O口，也可作为A口和B口的控制信号线，这些可通过程序控制。

RESET：复位信号。

该端施加大于640 n s的正脉冲时，将8155复位，复位后A口、B口、C口均置为输入方式。

TIMER IN：定时／计数器脉冲输入端。

TIMER OUT：定时／计数器输出端。

2. 8155的地址编码及工作方式
8155内部有7个寄存器，6个寄存器地址。

当CE=0、IO/M=1时，CPU对I/O口进行读写，访问那个寄存器决定于低3位地址A2 A1 A0。

A2 A1 A0 选中的寄存器地址
0 0 0 命令(写入)/状态(读出)寄存器00H
0 0 1 PA口01H
0 1 0 PB口02H
0 1 1 PC口03H
1 0 0 定时器低8位04H
1 0 1 定时器高8位05H
命令寄存器与状态寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入，状态寄存器只能读出。

⑴命令寄存器：8位，只能写入
用MOV DPTR, #XXXXXXXXXXXXX000B
MOV A, #XX H
MOVX @DPTR,A
D3～D0 规定工作方式
D5、D4 分别规定PB口和PA口的中断
D7、D6 用于控制计数器
8155的A口、B口可工作于基本I／O方式或选通I／O方式。

C口可工作于基本I／O方式，也可以作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。

当C口作为状态控制信号时，其各位的作用如下：
PC0：AINTR (A口中断请求线)
PC1：ABF (A口缓冲器满信号)
PC2：ASTB (A口选通信号)
PC3：BINTR (B口中断请求线)
PC4：BBF (B口缓冲器满信号)
PC5：BSTB (B口选通信号)
在不同方式下，A口、B口及C口工作方式定义如下：
PC2 PC1 工作方式
0 0 ALT1：C口为输入，A口，B口为基本输入/输出。

1 1 ALT2：C口为输出，A口，B口为基本输入/输出。

0 1 ALT3：A口为选通输入/输出，
B口为基本输入/输出。

PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，
PC3～PC5为输出。

1 0 ALT4：A口、B口为选通输入/输出。

PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，
PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为BSTB。

⑵状态寄存器：7位，只能读出
8155内的状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。

状态寄存器端口地址与命令寄存器相同，低8位也是00H，状态寄存器的内容只能读出不能写入。

用MOV DPTR,#XXXXXXXXXXXXX000B
MOVX A,@DPTR
状态寄存器的格式如下图所示。

⑶8155的定时器/计数器
8155内部的定时器/计数器是一个14位减法计数器，它对TIMER IN端输入脉冲进行减1计数，当计数结束(即减1计数“回0”)时，由TIMER OUT端输出方波或脉冲。

当TIMER IN接外部脉冲时，为计数方式；接系统时钟时，可作为定时方式。

定时器控制分两层：
①由写入命令寄存器的控制字高两位TM2和TM1决定启动、停止或装入常数。

②由写入计数器的两个寄存器内容决定计数长度和输出方式。

初值范围为0002H～3FFFH。

定时器/计数器由两个8位寄存器构成，其中的低14位组成计数器，剩下的两个高位(M2，M1)用于定义输出方式。

其格式如下：地址：05H 地址：04H
8155定时器有4种输出方式和波形可供选择
注意：
任何时候都可设置定时器的长度和工作方式，即使计数器已经计数，也允许装入新的长度和输出方式，当写入启动命令后即可改变定时器的工作方式。

硬件复位后只能停止计数，应注意重新发启动命令。

若写入定时器的计数值为奇数，方波输出是不对称的。

例如计数值为9，定时器输出的方波在前5个脉冲周期内为高电平，后4个脉冲周期内为低电平。

⑷8031与8155的接口
①8031与8155连接方法
8 0 3 1 单片机可以直接与8155连接使用，不需附加其它逻辑电路，即可使系统增加256 字节的RAM、22 位I/O口线及一个定时器/计数器，连接方法如图所示。

①RAM字节地址(P2.3＝0，P2.7＝0)：
7700H～77FFH
②输入／输出口地址(P2.3=1, P2.7=0)
命令／状态口：7F00H
A口：7F0lH
B口：7F02H
C口：7F03H
定时器低8位：7F04H
定时器高6位：7F05H
3. 编程举例
[例1] 读8155RAM中40H单元的内容。

MOV DPTR，#7740H ；指向8155 RAM 40H单元
MOVX A，＠DPTR ；读出数送A中
[例2] 把立即数12H送人8155 RAM的F0H单元中。

MOV A，#12H ；12H立即数送入A
MOV DPTR，#77F0H ；指向8155RAM F0H单元
MOVX ＠DPTR，A ；送入81 55 RAM的F0H [例2] 程序又可编成：
MOV A，#12H ；数12H送人A
MOV R0，#0F0H ：指向8155RAM F0H单元
ANL P2，#77H ；P2.7、P2.3置零，片选和选中RAM
MOVX ＠R0，A ；A中内容送入F0H单元
[例3] 使用8155作I/O口和定时器，设A口、C口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方式，定时器作为方波发生器，对输入脉冲进行12分频。

则相应的初始化程序如下：
MOV DPTR，#7F04H ；指向定时器低8位
MOV A，#0CH ；计数长度0CH＝12
MOVX ＠DPTR，A ；计数长度低8位装入
INC DPTR ；指向定时器高8位
MOV A，#40H ；定时器的输出方式为连续方波
MOVX ＠DPTR，A ；定时器高8位装入
MOV DPTR，#7F00H ；指向命令寄存器
MOV A，#0C2H ；设定A口、C口为基本输入，MOVX ＠DPTR，A ; B口为基本输出，启动定时器。