第11章 MCS-51单片机系统扩展-第1部分 - 1

第十一章 MCS-51单片机系统扩展

11.1 8051/8751的最小系统

80C51片内有4KB的程序存储器，因此，只需要外接晶体振荡器和复位电路就可构成最小系统。

图11-1 最小单片机系统

最小系统的特点如下：

（1）由于片外没有扩展存储器和外设，P0、P1、P2、P3都可以作为用户I/O口使用。但P0口作为用户I/O口使用时，需要加上拉电阻。

（2）片内数据存储器有128字节，地址空间00H～7FH，没有片外数据存储器。

（3）内部有4KB程序存储器，地址空间0000H～0FFFH，没有片外程序存储器，EA应接高电平。

（4）可以使用两个定时/计数器T0和T1，一个全双工的串行通信接口，5个中断源。

80C51虽有4个I/O口P0～P3，但在大多数应用系统中，真正用作I/O 口线的只有P1口的8位位线和P3口的某些位线。因此，在I/O接口引脚不够，或在片内的存储器资源还不能满足要求时，需要进行如下的扩展：

(1) 外部I/O接口的扩展；【例如74LS164、74LS165等】

(2) 外部程序存储器的扩展；

(3) 外部数据存储器的扩展。

11.2 系统扩展结构

单片机采用总线结构，使扩展易于实现，单片机系统扩展结构如图11-2所示。

图11-2 80C51单片机的系统扩展结构

从图11-2可以看出，系统扩展主要包括存储器扩展和I/O接口部件扩展。存储器扩展包括程序存储器扩展和数据存储器扩展。

系统扩展是以单片机为核心，通过总线把单片机与各扩展部件连接起来。因此，首先要利用单片机的I/O口构造系统总线。系统总线按功能通常分为3组，如图11-2所示。

（1）地址总线AB（Address Bus）：用于发送CPU发出的地址信号，以便进行存储单元和I/O接口芯片中的寄存器的选择。

地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器（通常用74LS373）提供地址低8位，P2口直接提供地址高8位，地址信号是由CPU发出的单方向信号。

存储器芯片的地址线的数目由芯片的容量决定。容量(Q)与地址线数目(N)满足关系式：2N

Q 。存储器芯片的地址线与单片机的地址总线(A0～A15，P0口为低8位（需用74LS373锁存），P2口为高8位）按由低位到高位的顺序顺次相接。

一般来说，存储器芯片的地址线数目少于单片机地址总线的数目，因此连接后，单片机的高位地址线（P2口）应该有剩余。剩余的地址线一般作为译码线，译码器的输出与存储器芯片的片选信号线（CS或CE）相接。片选

信号线CS或CE与单片机系统的译码器输出相接后，就决定了存储器芯片的

地址范围。

【P153】地址总线的低8位（A0～A7）由P0口提供，由于P0口是地址和数据分时使用，所以P0口输出的低8位地址必须用锁存器锁存，可以利用ALE 的下降沿将P0口输出的地址信息锁存，P2口提供高8位（A8～A15）地址信息。由于P2口不是地址和数据分时使用，而且P2口有锁存功能，所以P2口不需要加锁存器。

（2）数据总线DB（Data Bus）：数据总线由P0提供，用于单片机与外部存储器之间或与I/O接口之间传送数据，数据总线是双向的。【由单片机P0口提供，和外部存储器芯片或与I/O芯片的数据口相连】

连接时，存储器芯片的数据线与单片机的数据总线(P0.0～P0.7)按由低位到高位的顺序顺次相接。【要注意顺序，例如ADC0809的数据线就不规范】【P154】数据总线与哪个外设进行数据通信，由CPU输出的地址信号决定，选中的芯片数据线与单片机的数据总线相连，未选中的芯片数据线与单片机总线处于三态高阻状态【相当于断开状态】。

（3）控制总线CB（Control Bus）：控制总线是单片机发出的各种控制信号线。【例如：单片机的ALE、PSEN和P3口的WR、RD】

如何构造系统的三总线。

1．P0口作为低8位地址/数据总线

80C51受引脚数目限制，P0口既可作为低8位地址总线，又可用作数据总线（分时复用），因此，需增加一个8位地址锁存器【配合ALE信号线】。单片机访问外部扩展的存储器单元或I/O接口寄存器时，先发出低8位地址送地址锁存器锁存，锁存器输出作为系统的低8位地址（A7～A0）。随后，P0口又作为数据总线口（D7～D0），如图11-3所示。【发出的地址由ALE控制地址锁存器进行锁存】

2．P2口的口线作为高位地址线

P2口用作系统的高8位地址线，再加上地址锁存器提供的低8位地址，便形成了系统完整的16位地址总线。使单片机系统的寻址范围可以达到64KB。

（216＝64K）

图11-3 80C51单片机扩展的片外三总线

3．控制信号线【控制信号线＝P3口的第二功能线＋控制引脚】【P154】除地址线和数据线外，还要有系统的控制总线。这些控制信号线有的就是单片机引脚的第一功能信号，还有的则利用P3口第二功能信号线。包括：（1）PSEN(29)为外扩程序存储器的读选通控制信号。例如对于程序存储器来说，具有输出允许控制线OE，它与单片机的PSEN信号线相连。在执行访问外部程序存储器指令时，PSEN（外部程序存储器选通）信号有效。【注意：读取EPROM中数据（指令）时，不用RD信号，而用PSEN】（2）RD(P3.7)和WR(P3.6)为外扩数据存储器和I/O的读、写选通控

制信号。例如对于数据存储器，一般都有输出允许控制线OE和写控制线WE，

它们分别与单片机的读信号线RD和写信号线WR相连。在访问外部数据存储器【包括I/O】指令时，由P3口自动产生读/写（RD/WR）信号，通过P0口

对外部数据存储器单元进行读/写操作。

（3）ALE(30)作为P0口发出的低8位地址锁存控制信号。

（4）EA(31)为片内、片外程序存储器的选择控制信号。

可见，80C51的4个并行I/O口，由于系统扩展的需要，真正作为通用I/O 引脚用的部分，就剩下P1口和P3口的部分引脚了。

11.3 地址空间分配和外部地址锁存器

11.3.1 存储器地址空间分配

在设计实际系统时，可能既需要扩展程序存储器，又需要扩展数据存储器，如何把片外的两个64KB地址空间分配给各个程序存储器、数据存储器芯片，使一个存储单元只对应一个地址，避免单片机发出一个地址时，同时访问两个单元，发生数据冲突。这就是存储器地址空间分配需要解决的问题。

单片机发出的地址用于选择某个存储器单元，如果外扩多片存储器芯片时，单片机就必须进行两种选择：一是：选中该存储器芯片，这称为“片选”，未被选中的芯片不能被访问（三态－高阻）。二是：在“片选”的基础上再根据单片机发出的地址来对“选中”芯片的某一单元进行访问，即“单元选择”。【相当于两级方式，一是选中该芯片，然后用地址选择存储单元】【相当于找人，先问住哪栋楼（片选），再问哪房间号（单元选择）】

【先找学校，系别，班级，再找人。学校、学号是唯一的对应人】

【实验A楼，203房间】

为了实现片选，存储器芯片都有片选引脚CE，还有多条地址线引脚，以

便进行单元选择。注意，“片选”和“单元选择”都是单片机通过地址线一次发出的地址信号来完成选择。

通常把单片机系统的地址线分为低位地址线和高位地址线，“片选”都是使用高位地址线（P2口的线）。实际上，16条地址线中的高、低位地址线的数目并不是固定的，只是习惯上把用于“单元选择”的地址线，称为低位地址线，其余的为高位地址线。

常用的存储器地址空间分配方法有两种：线选法和地址译码法。

1．线选法

线选法是直接利用系统的某一高位地址线（P2口的某一根线）作为存储