单片机系统扩展

第六章单片机系统扩展

通常情况下，采用MCS-51单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合，此情况下直接使用单片机内部程序存储器、数据存储器、定时功能、中断功能，I/O端口；使得应用系统的成本降低。但在许多应用场合，仅靠单片机的内部资源不能满足要求，因此，系统扩展是单片机应用系统硬件设计中最常遇到的问题。

在很多复杂的应用情况下，单片机内的RAM ，ROM 和 I/O接口数量有限，不够使用，这种情况下就需要进行扩展。因此单片机的系统扩展主要是指外接数据存贮器、程序存贮器或I/O接口等，以满足应用系统的需要。

6.1 单片机应用系统

按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统等。

最小应用系统，是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。对于片内有ROM/EPROM 的单片机，其最小应用系统即为配有晶振、复位电路和电源的单个单片机。对于片内无ROM/EPROM的单片机，其最小系统除了外部配置晶振、复位电路和电源外，还应当外接EPROM 或EEPROM作为程序存储器用。最小应用系统的功能取决于单片机芯片的技术水平。

单片机的最小功耗应用系统是指能正常运行而又功耗力求最小的单片机系统。

单片机的典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统。

6.1.1 8051/8751最小应用系统

MCS-51系列单片机的特点就是体积小，功能全，系统结构紧凑，硬件设计灵活。对于简单的应用，最小系统即能满足要求。

8051/8751是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，用这些芯片构成的最小系统简单、可靠。

图6-1 8051/8751最小应用系统

用8051/8751单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图6-1所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：

（1）有可供用户使用的大量I/O口线。因没有外部存储器扩展，这时EA接高电平，P0、P1、P2、P3都可作用户I/O口使用。

（2）内部存储器容量有限。

（3）应用系统开发具有特殊性。P0、P1、P2口的应用与开发环境差别较大。8051的应用软件须依靠半导体厂家用半导体掩膜技术置入，故8051应用系统一般用作大批量生产的应用系统。

6.1.2 8031最小应用系统

8031是片内无程序存储器的供应状态芯片，因此，其最小应用系统必须在片外扩展EPROM。图6-2为外接程序存储器的最小应用系统。片外4K字节单元地址要求地址线12根（A0～A11），它由P0和P2.0～P2.3组成。

地址锁存器的锁存信号为ALE。

程序存储器的取指信号为PSEN。由于程序存储器芯片只有一片，故其片选线直接接地。

8031芯片本身的连接除EA必须接地，表明选择外部存储器外，其它与8051/8751最小应用系统一样，也必须有复位及时钟电路。

图6-2 8031最小应用系统

6.2 单片机系统扩展

在进行系统扩展时，应对单片机的系统扩展能力、扩展总线结构及扩展应用特点有所了解，这样才能顺利地完成系统扩展任务。

6.2.1 MCS-51系列单片机的外部扩展性能

一、MCS-51系列单片机的片外总线结构

单片机是通过地址总线，数据总线和控制总线与外部交换信息的。MCS-51单片机的总线接口信号见图6-3所示。

图6-3 MCS-51总线接口信号

由图可见：

（1）由于P0分时传送地址/数据信息，在接口电路中，通常配置地址锁存器，有ALE 信号锁存低8位地址A0～A7，以分离地址和数据信息。

（2）P2口传送高8位地址A8～A15。

（3）PSEN为程序存储器的控制信号，是在取指令码时或执行MOVC指令时变为有效。

RD、WR为数据存储器和I/O口的读、写控制信号。是执行MOVX指令时变为有效。

单片机都是通过片外引脚进行系统扩展的。为了满足系统扩展要求，MCS-51系列单片机片外引脚可以构成三总线结构，即地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。所有的外部芯片都通过这三组总线进行扩展。

1、地址总线（AB）

地址总线宽度为16位，故可寻址范围为216＝64k字节。

地址总线由P0口提供低8位A0～A7，P2口提供高8位A8～A15。由于P0口还要作数据总线口，只能分时用作地址线，故P0口输出的低8位地址数据必须用锁存器锁存。锁存器的锁存控制信号为引脚ALE输出的控制信号。在ALE的下降沿将P0口输出的地址数据锁存。

P0口具有输出锁存功能，故不需外加锁存器。P0、P2口在系统扩展中用作地址线后便不能作为一般I/O口使用。

2、数据总线（DB）

数据总线由P0口提供，其宽度为8位，该口为三态双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。所有单片机与外部交换的数据、指令、信息，除少数可直接通过P1口外，全部通过P0口传送。

数据总线要连到多个连接的外围芯片上，而在同一时间里只能够有一个是有效的数据传送通道。哪个芯片的数据通道有效则由地址线控制各个芯片的片选线来选择。

3、控制总线（CB）

控制总线包括片外系统扩展用控制线和片外信号对单片机的控制线。

系统扩展用控制线有WR、RD、PSEN、ALE和EA。

WR、RD：用于片外数据存储器（RAM）的读/写控制。当执行片外数据存储器操作指令MOVX时，这两个控制信号自动生成；

PSEN：用于片外程序存储器（EPROM）的“读”数控制。“读”取EPROM中数据（指令）时不用“RD”信号；

ALE：用于锁存P0口输出的低8位地址数据的控制线。通常，ALE在P0口输出地址期间用下降沿控制锁存器来锁存地址数据；

EA：用于选择片内或片外程序存储器。当EA＝0时，只访问外部程序存储器，不论片内有无程序存储器。因此在扩展并使用外部程序存储器时，必须使EA接地。