大学生智能汽车设计整本书课件 第5章
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智能汽车设计基础— 第5章 智能汽车设计基础—微控制器
智能汽车设计基础— 第5章 智能汽车设计基础—微控制器
1 5.1 单片机简介
2
5.2
单片机系统
3
5.3
HCS12单片机 Freescale HCS12单片机
4
思考题
武汉科技大学信息科学与工程学院
5.1
单片机简介
随着大规模集成电路的出现及发展,将计算机的CPU、RAM、 随着大规模集成电路的出现及发展,将计算机的CPU、RAM、 CPU ROM、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上, I/O接口集成在一片芯片上 ROM 、 定时 / 数器和多种 I/O 接口集成在一片芯片上 , 形成芯片 级的计算机 , 因此单片机早期的含义称为单片微型计算机 Microcomputer) 直译为单片机, ( Single Chip Microcomputer ) , 直译为单片机 , 又称为微 控 制 器 ( Microcontroller ) 或 嵌 入 式 控 制 器 ( Embedded Controller ) 。 近 年 来 , 单 片 机 结 合 专 用 集 成 电 路 ASIC) ( Application Specific Integrated Circuit, ASIC ) 和精 简指令集计算机( RISC) 简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer, RISC) 技术,发展为嵌入式处理器( Processor) 技术,发展为嵌入式处理器(Embedded Processor),适用于 数据与数值分析、信号处理、 数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术 领域。 领域。
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5.2.2
单片机系统的扩展
1.程序存储器扩展 单片机系统扩展中,最常见的是程序存储器扩展, 单片机系统扩展中,最常见的是程序存储器扩展,在扩展时需 注意以下几方面的问题: 注意以下几方面的问题: 可分配地址空间。 MCS-51系列单片机中 系列单片机中, (1)可分配地址空间。在MCS-51系列单片机中,程序存储器可占用 H~ H间 K的存储空间 虽然地址可与数据存储器或I/O 的存储空间。 0000 H~FFFF H间64 K的存储空间。虽然地址可与数据存储器或I/O 口重叠,但它们实际上是两个相互对立的存储空间。 口重叠,但它们实际上是两个相互对立的存储空间。硬件上程序存 储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作;软件上用MOVC PSEN而不是用RD进行控制读操作 MOVC而非 储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作;软件上用MOVC而非 MOVX执行读操作命令 执行读操作命令。 MOVX执行读操作命令。 地址译码电路。随着大规模集成电路的发展, (2)地址译码电路。随着大规模集成电路的发展,程序存储器的容 量越来越大,仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求, 量越来越大,仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求,因 此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是, 此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是, 在扩充多片程序存储器时,地址译码一般采用译码器方式, 在扩充多片程序存储器时,地址译码一般采用译码器方式,以获得 地址范围连续而又不相重叠的片选信号。 地址范围连续而又不相重叠的片选信号。这是因为程序机器码在存 储空间中需要连续放置, 储空间中需要连续放置,因此各存储器占用的程序存储器空间必须 相互连续。另外, 相互连续。另外,分配给程序存储器的地址范围还必须包含单片机 的启动程序。 的启动程序。
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5.2
单片机系统
1 5.2.1 单片机最小系 统
2 5.5.2 单片机系统的 扩展
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5.2.1
单片机最小系统
所谓单片机最小系统, 所谓单片机最小系统,是指在单片机外部增加尽可 能少的元件电路,组成一个让单片机可独立工作的系统。 能少的元件电路,组成一个让单片机可独立工作的系统。 MCS-51系列单片机为例 系列单片机为例, 5.1和图5.2所示的分别是 和图5.2 以MCS-51系列单片机为例,图5.1和图5.2所示的分别是 使用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成 的单片机最小系统。在图5.2 5.2中 8031的程序存储器是通 的单片机最小系统。在图5.2中,8031的程序存储器是通 过使用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种 EPROM实现的 是一种8D 过使用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种8D 透明锁存器,其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM P0口输出的对EPROM取 透明锁存器,其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM取 指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 的电容器与正电源相连,构成上电复位电路。 F的电容器与正电源相连,构成上电复位电路。时钟电 路均采用内部振荡方式,外接一个频率为12 MHz的晶体 路均采用内部振荡方式,外接一个频率为12 MHz的晶体 振荡器。 5.2中 从接地, 振荡器。图5.2中,从接地,我们可以得知程序存储器在 单片机外部,因此,对外部程序存储器来说, 单片机外部,因此,对外部程序存储器来说,单片机的 取指令操作有效的。 取指令操作有效的。
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5.2.2
单片机系统的扩展
图5.35.3 EPROM程序存储器扩展电路 EPROM程序存储器扩展电路 图 EPROM程序存储器扩展电路
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5.2.2
单片机系统的扩展
2.数据存储器扩展 在单片机系统扩展中, 在单片机系统扩展中,最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存 储器SRAM的扩展,在扩展时应注意以下几个方面的问题: SRAM的扩展 储器SRAM的扩展,在扩展时应注意以下几个方面的问题: 存储器地址空间。 MCS-51系列单片机中 系列单片机中, (1)存储器地址空间。在MCS-51系列单片机中,任何扩展的数据存 储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠 口及外围设备的地址都不能相互重叠, 储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠,但可以和程序存储 器地址重叠。因为数据存储器与I/O口是统一编址的,共用0000 H~ I/O口是统一编址的 器地址重叠。因为数据存储器与I/O口是统一编址的,共用0000 H~ H间的64K地址空间 间的64K地址空间。 FFFF H间的64K地址空间。 数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/ I/O口的读 (2)数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/写控制可以通 RD和WR指令 地址总线和数据总线则与程序存储器共用。 指令, 过RD和WR指令,地址总线和数据总线则与程序存储器共用。 数据存储器扩展方法。 5.4所示的是数据存储器扩展电路 所示的是数据存储器扩展电路。 (3)数据存储器扩展方法。图5.4所示的是数据存储器扩展电路。 除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外, 除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外,数据存储器扩展方 法与程序存储器扩展方法是一样的。 法与程序存储器扩展方法是一样的。 常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM (4)常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM 6116 2K× 6264(8K× 62256(32K× 另外, (2K×8), 6264(8K×8)和62256(32K×8)等。另外,电可擦除 只读存储器、 2816(2K× E2PROM2864(8K× 只读存储器、E2PROM 2816(2K×8)和E2PROM2864(8K×8)等也可 作为数据存储器使用。 作为数据存储器使用。
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5.2.2
单片机系统的扩展
RAM数据存储器扩展电路 图5.4 RAM数据存储器扩展电路
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5.2.2
单片机系统的扩展
Hale Waihona Puke Baidu
3.输入/输出(I/O)口扩展 输入/输出(I/O) 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O I/O口 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O口 扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/O I/O口中的许多都 扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/O口中的许多都 有复用功能,当这些口被复用功能占用后, 有复用功能,当这些口被复用功能占用后,留给用户系 统的I/O口就不多了。在进行I/O口扩展时, I/O口就不多了 I/O口扩展时 统的I/O口就不多了。在进行I/O口扩展时,应注意以下 几个方面的问题: 几个方面的问题: I/O口寻址空间 口寻址空间。 MCS-51系列单片机应用系统中 系列单片机应用系统中, (1)I/O口寻址空间。在MCS-51系列单片机应用系统中, 扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间, 扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间, I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间 而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O I/O口具有与 而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O口具有与 数据存储器相同的寻址方式,且地址总线、 数据存储器相同的寻址方式,且地址总线、数据总线与 控制总线的连线也与数据存储器相同。 控制总线的连线也与数据存储器相同。 单片机提供的I/O I/O口 当单片机本身的I/O I/O口在复用 (2)单片机提供的I/O口。当单片机本身的I/O口在复用 功能未被使用时,这些口可当作普通的I/O口使用。 I/O口使用 功能未被使用时,这些口可当作普通的I/O口使用。
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5.2.1
单片机最小系统
图5.1 完全使用单片机内部程序存储器的单片机最小系统
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5.2.1
单片机最小系统
图5.2 使用单片机外部程序存储器的单片机最小系统
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5.2.2
单片机系统的扩展
在单片机应用系统硬件设计中, 在单片机应用系统硬件设计中,虽然单片机的最小 应用系统拥有较高的性价比,但在功能很复杂的系统中, 应用系统拥有较高的性价比,但在功能很复杂的系统中, 最小系统往往不能满足要求,往往需要连接各种设备, 最小系统往往不能满足要求,往往需要连接各种设备, 形成各种接口通道。因此, 形成各种接口通道。因此,单片机系统的扩展成了单片 机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 单片机系统的扩展包括数据存储器(RAM)扩展、 单片机系统的扩展包括数据存储器(RAM)扩展、程 序存储器(ROM/EPROM)扩展、输入/输出(I/O)扩展、 序存储器(ROM/EPROM)扩展、输入/输出(I/O)扩展、 定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。 定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。
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5.2.2
单片机系统的扩展
(3)程序存储器扩展方法。其他接口扩展芯片与程序存储 程序存储器扩展方法。 器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。 器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。其中控制 总线有ALE ALE低 位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储 总线有ALE低8位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储 器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示 程序存储器扩展电路如图5.3所示。 器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示。图 5.3(a)中系统只扩展一片EPROM,可将EPROM 中系统只扩展一片EPROM EPROM的片选端直 5.3(a)中系统只扩展一片EPROM,可将EPROM的片选端直 接接地; 5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM, 中的系统扩展了两片EPROM 接接地;图5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM,若P2.i等 就选择了EPROM(1) EPROM(1), 等于1 于0,就选择了EPROM(1),若P2.i等于1,就选择了 EPROM(2)。 EPROM(2)。 常用程序存储器芯片。 (4)常用程序存储器芯片。程序存储器芯片最常见的是 Intel公司的典型系统芯片 2716( Intel公司的典型系统芯片 2716(2K × 8), 2732 (4K × 8), 2764(8K × 8), 27128(16K × 8), 2764( 27128( 27256( 27512( 27256(32K × 8)和27512(64K × 8)等。近年来大 容量EPROM芯片不断涌现,2764以上的大容量芯片在单片 EPROM芯片不断涌现 容量EPROM芯片不断涌现,2764以上的大容量芯片在单片 机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。 机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。
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1 5.1 单片机简介
2
5.2
单片机系统
3
5.3
HCS12单片机 Freescale HCS12单片机
4
思考题
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5.1
单片机简介
随着大规模集成电路的出现及发展,将计算机的CPU、RAM、 随着大规模集成电路的出现及发展,将计算机的CPU、RAM、 CPU ROM、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上, I/O接口集成在一片芯片上 ROM 、 定时 / 数器和多种 I/O 接口集成在一片芯片上 , 形成芯片 级的计算机 , 因此单片机早期的含义称为单片微型计算机 Microcomputer) 直译为单片机, ( Single Chip Microcomputer ) , 直译为单片机 , 又称为微 控 制 器 ( Microcontroller ) 或 嵌 入 式 控 制 器 ( Embedded Controller ) 。 近 年 来 , 单 片 机 结 合 专 用 集 成 电 路 ASIC) ( Application Specific Integrated Circuit, ASIC ) 和精 简指令集计算机( RISC) 简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer, RISC) 技术,发展为嵌入式处理器( Processor) 技术,发展为嵌入式处理器(Embedded Processor),适用于 数据与数值分析、信号处理、 数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术 领域。 领域。
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5.2.2
单片机系统的扩展
1.程序存储器扩展 单片机系统扩展中,最常见的是程序存储器扩展, 单片机系统扩展中,最常见的是程序存储器扩展,在扩展时需 注意以下几方面的问题: 注意以下几方面的问题: 可分配地址空间。 MCS-51系列单片机中 系列单片机中, (1)可分配地址空间。在MCS-51系列单片机中,程序存储器可占用 H~ H间 K的存储空间 虽然地址可与数据存储器或I/O 的存储空间。 0000 H~FFFF H间64 K的存储空间。虽然地址可与数据存储器或I/O 口重叠,但它们实际上是两个相互对立的存储空间。 口重叠,但它们实际上是两个相互对立的存储空间。硬件上程序存 储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作;软件上用MOVC PSEN而不是用RD进行控制读操作 MOVC而非 储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作;软件上用MOVC而非 MOVX执行读操作命令 执行读操作命令。 MOVX执行读操作命令。 地址译码电路。随着大规模集成电路的发展, (2)地址译码电路。随着大规模集成电路的发展,程序存储器的容 量越来越大,仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求, 量越来越大,仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求,因 此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是, 此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是, 在扩充多片程序存储器时,地址译码一般采用译码器方式, 在扩充多片程序存储器时,地址译码一般采用译码器方式,以获得 地址范围连续而又不相重叠的片选信号。 地址范围连续而又不相重叠的片选信号。这是因为程序机器码在存 储空间中需要连续放置, 储空间中需要连续放置,因此各存储器占用的程序存储器空间必须 相互连续。另外, 相互连续。另外,分配给程序存储器的地址范围还必须包含单片机 的启动程序。 的启动程序。
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单片机系统
1 5.2.1 单片机最小系 统
2 5.5.2 单片机系统的 扩展
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5.2.1
单片机最小系统
所谓单片机最小系统, 所谓单片机最小系统,是指在单片机外部增加尽可 能少的元件电路,组成一个让单片机可独立工作的系统。 能少的元件电路,组成一个让单片机可独立工作的系统。 MCS-51系列单片机为例 系列单片机为例, 5.1和图5.2所示的分别是 和图5.2 以MCS-51系列单片机为例,图5.1和图5.2所示的分别是 使用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成 的单片机最小系统。在图5.2 5.2中 8031的程序存储器是通 的单片机最小系统。在图5.2中,8031的程序存储器是通 过使用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种 EPROM实现的 是一种8D 过使用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种8D 透明锁存器,其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM P0口输出的对EPROM取 透明锁存器,其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM取 指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 的电容器与正电源相连,构成上电复位电路。 F的电容器与正电源相连,构成上电复位电路。时钟电 路均采用内部振荡方式,外接一个频率为12 MHz的晶体 路均采用内部振荡方式,外接一个频率为12 MHz的晶体 振荡器。 5.2中 从接地, 振荡器。图5.2中,从接地,我们可以得知程序存储器在 单片机外部,因此,对外部程序存储器来说, 单片机外部,因此,对外部程序存储器来说,单片机的 取指令操作有效的。 取指令操作有效的。
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单片机系统的扩展
图5.35.3 EPROM程序存储器扩展电路 EPROM程序存储器扩展电路 图 EPROM程序存储器扩展电路
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单片机系统的扩展
2.数据存储器扩展 在单片机系统扩展中, 在单片机系统扩展中,最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存 储器SRAM的扩展,在扩展时应注意以下几个方面的问题: SRAM的扩展 储器SRAM的扩展,在扩展时应注意以下几个方面的问题: 存储器地址空间。 MCS-51系列单片机中 系列单片机中, (1)存储器地址空间。在MCS-51系列单片机中,任何扩展的数据存 储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠 口及外围设备的地址都不能相互重叠, 储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠,但可以和程序存储 器地址重叠。因为数据存储器与I/O口是统一编址的,共用0000 H~ I/O口是统一编址的 器地址重叠。因为数据存储器与I/O口是统一编址的,共用0000 H~ H间的64K地址空间 间的64K地址空间。 FFFF H间的64K地址空间。 数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/ I/O口的读 (2)数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/写控制可以通 RD和WR指令 地址总线和数据总线则与程序存储器共用。 指令, 过RD和WR指令,地址总线和数据总线则与程序存储器共用。 数据存储器扩展方法。 5.4所示的是数据存储器扩展电路 所示的是数据存储器扩展电路。 (3)数据存储器扩展方法。图5.4所示的是数据存储器扩展电路。 除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外, 除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外,数据存储器扩展方 法与程序存储器扩展方法是一样的。 法与程序存储器扩展方法是一样的。 常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM (4)常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM 6116 2K× 6264(8K× 62256(32K× 另外, (2K×8), 6264(8K×8)和62256(32K×8)等。另外,电可擦除 只读存储器、 2816(2K× E2PROM2864(8K× 只读存储器、E2PROM 2816(2K×8)和E2PROM2864(8K×8)等也可 作为数据存储器使用。 作为数据存储器使用。
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RAM数据存储器扩展电路 图5.4 RAM数据存储器扩展电路
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3.输入/输出(I/O)口扩展 输入/输出(I/O) 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O I/O口 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O口 扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/O I/O口中的许多都 扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/O口中的许多都 有复用功能,当这些口被复用功能占用后, 有复用功能,当这些口被复用功能占用后,留给用户系 统的I/O口就不多了。在进行I/O口扩展时, I/O口就不多了 I/O口扩展时 统的I/O口就不多了。在进行I/O口扩展时,应注意以下 几个方面的问题: 几个方面的问题: I/O口寻址空间 口寻址空间。 MCS-51系列单片机应用系统中 系列单片机应用系统中, (1)I/O口寻址空间。在MCS-51系列单片机应用系统中, 扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间, 扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间, I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间 而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O I/O口具有与 而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O口具有与 数据存储器相同的寻址方式,且地址总线、 数据存储器相同的寻址方式,且地址总线、数据总线与 控制总线的连线也与数据存储器相同。 控制总线的连线也与数据存储器相同。 单片机提供的I/O I/O口 当单片机本身的I/O I/O口在复用 (2)单片机提供的I/O口。当单片机本身的I/O口在复用 功能未被使用时,这些口可当作普通的I/O口使用。 I/O口使用 功能未被使用时,这些口可当作普通的I/O口使用。
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单片机最小系统
图5.1 完全使用单片机内部程序存储器的单片机最小系统
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单片机最小系统
图5.2 使用单片机外部程序存储器的单片机最小系统
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单片机系统的扩展
在单片机应用系统硬件设计中, 在单片机应用系统硬件设计中,虽然单片机的最小 应用系统拥有较高的性价比,但在功能很复杂的系统中, 应用系统拥有较高的性价比,但在功能很复杂的系统中, 最小系统往往不能满足要求,往往需要连接各种设备, 最小系统往往不能满足要求,往往需要连接各种设备, 形成各种接口通道。因此, 形成各种接口通道。因此,单片机系统的扩展成了单片 机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 单片机系统的扩展包括数据存储器(RAM)扩展、 单片机系统的扩展包括数据存储器(RAM)扩展、程 序存储器(ROM/EPROM)扩展、输入/输出(I/O)扩展、 序存储器(ROM/EPROM)扩展、输入/输出(I/O)扩展、 定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。 定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。
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单片机系统的扩展
(3)程序存储器扩展方法。其他接口扩展芯片与程序存储 程序存储器扩展方法。 器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。 器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。其中控制 总线有ALE ALE低 位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储 总线有ALE低8位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储 器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示 程序存储器扩展电路如图5.3所示。 器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示。图 5.3(a)中系统只扩展一片EPROM,可将EPROM 中系统只扩展一片EPROM EPROM的片选端直 5.3(a)中系统只扩展一片EPROM,可将EPROM的片选端直 接接地; 5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM, 中的系统扩展了两片EPROM 接接地;图5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM,若P2.i等 就选择了EPROM(1) EPROM(1), 等于1 于0,就选择了EPROM(1),若P2.i等于1,就选择了 EPROM(2)。 EPROM(2)。 常用程序存储器芯片。 (4)常用程序存储器芯片。程序存储器芯片最常见的是 Intel公司的典型系统芯片 2716( Intel公司的典型系统芯片 2716(2K × 8), 2732 (4K × 8), 2764(8K × 8), 27128(16K × 8), 2764( 27128( 27256( 27512( 27256(32K × 8)和27512(64K × 8)等。近年来大 容量EPROM芯片不断涌现,2764以上的大容量芯片在单片 EPROM芯片不断涌现 容量EPROM芯片不断涌现,2764以上的大容量芯片在单片 机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。 机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。