7 单片机的外部基本扩展与应用

图 7-7 6264SRAM的引脚图和逻辑符号图
从图7-7可以看出，只需要13根地址线即可表示该芯片的所有存储单元。 而51系列单片机的地址总线是16位，从图7-4中可以看出单片机的26~28 引脚没有使用，则存储器的某个存储单元就存在多个地址同时与之相对 应的关系，如下表所示。 表 7-1 6264SRAM某个单元地址编码
7.1.1
系统扩展总线
所谓总线，就是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线。以单片机为核 心，通过总线把各扩展部件连接起来，各扩展部件“挂”在总线上，主要 形式有存储器扩展、I/O口的扩展，以及人机接口所必须的键盘与显示器 件接口扩展等，如图7-1所示。
在图中，按总线接口的类型可分为传统的并行传送数据的三总线结构（控 制总线、数据总线和地址总线），以及后来发展起来的串行传送数据的 SPI总线、I2C总线和单总线等总线形式。本章只讨论传统的并行传送总线 结构。
7.2.2
利用KEIL软件如何查看各种存储器中的数据
通过PROTEUS软件硬件仿真可以看到内或外数据存储器中的数据，但无 法查看程序存储器的指令或表格数据。
利用KEIL软件的存储器窗口可以显示系统中各种存储器中的值，只要在地址 （Address）后的编缉框内输入“字母：数字”即可显示相应内存值。
说明如下：其中 字母可以是 C、 D、I、X，分别 代表代码存储空 间、直接寻址的 片内存储空间、 间接寻址的片内 存储空间、扩展 的外部 RAM 空 间，数字代表想 要查看的地址 图 7-5 查看程序存储器中的指令或表格数据
7.2.1
并行扩展总线连接说明
地址总线的连接说明：P0口引脚输出的8位信号，作地址总线送 74HC373地址锁存器，为6264提供低8位地址信号；P2口的21～25 脚直接与6264的A12～A8脚相连接，提供了高5位地址。 数据总线的连接说明：P0口引脚作数据总线，直接与 6264相连接，用于传送8位数据信号。 控制总线的连接说明：地址锁存信号ALE与74HC373地址锁存 器输入选通端LE相连，用于锁存P0口的送出的低8位地址信号； 读信号 ()与6264的输出使能端 ()相连，用于单片机读 数据控制；写信号 ()与6264的输入使能端()相连，用于单片机写 数据控制。 由于片外只扩展了一片芯片，故不存在片选问题，6264的片选 信号 ()直接接地，保持常通。
该窗口的显示值能以各种形式显示，默认以“无符号单字节方式“显示。可 利用右键快捷菜单选择，如图7-6所示。 说明如下： 该菜单用 分隔条分 成二部份， 其中第一 部份与第 二部份的 三个选项 为同一级 别。 选中第一部份的任一选项，窗口中的值以整数形式显示。如：“ Decimal ”项是一个开 关，选中它，表示窗口中的值将以十进制形式显示，否则按默认的十六进制显示。 “Unsigned”和 “Signed ” 分别代表无符号形式和有符号形式，各有三个选项：Char、 Int、Long，分别代表以单字节字符形式、双字节整数形式、四字节长整数形式显示。 选中第二部份的“Ascii码”项则将以字符形式显示，选中“Float”项将相邻四字节组 成的浮点数形式显示，选中 “Double ”项则将相邻八字节组成双精度形式显示。
想一想，试一试？
1、我们是否可以将源代码中的下列代码行，如下所示： MOV DPTR,#0200H; 设置外存储器的首个 存储地址
将首地址0200H换成表7-1中的最右边一列中的任 意一个16位地址编码是否都可以？
7.3 单片机片外扩展多片数据存储器
【例7-2】将程序存储器的表格数据送给片外的数据存储器
7.4 单片机片外扩展简单I/O接口
【例7-3】按键控制LED灯的亮灭
程序说明：51单片机的P0~P3口具有输入数据可以缓冲，输出数据可以锁存 的功能，并有一定的负载能力，可以直接与外设相接（详见第2章示例）， 如：开关、发光二极管等。 但有时出于节省I/O端口使用或需要提高系统带负载能力的情况下，常采用 “输入三态, 输出锁存”原则进行片外扩展简单I/O口芯片，这是单片机应 用系统设计中常采用的方法。
7 单片机的外部基本扩展与 应用
任务与知识点
• 任务
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单片机片外扩展单片数据存储器 单片机片外扩展多片数据存储器 单片机片外扩展简单I/O接口 单片机采用8255芯片外扩展I/O接口
单片机系统扩展总线 片外扩展芯片是如何被访问的 介绍利用KEIL软件如何查看各种存储器中的数据、 讲解MOV、MOVX、MOVC三类传送指令及数据的寻址方式 一些常用扩展芯片的接口方法和访问控制方法 多位数据码静态显示及动态显示知识
从图中可以看出， 以P0口的8位口线 作地址线低8位／ 数据线，通过8位 锁存器进行数据信 号和地址信号的分 离；以P2口的口线 作高8位地址线， 可以访问外部程序 和数据存储最大空 间分别为64KB。
除了地址线和数据线之外，在扩展系统中还需要一些控制信号线，以 构成扩展系统的控制总线。这些信号有的是单片机引脚的第一功能信 号，有的则是第二功能信号。其中包括：使用ALE作为地址锁存的选 通信号，以实现低8位地址的锁存；以ＰＳＥＮ信号作为扩展程序存储 器的读选通信号；以ＥＡ信号作为内、外程序存储器的选择信号；以 ＲＤ和ＷＲ作为扩展数据存储器和Ｉ／Ｏ端口的读/写选通信号。
7.3.2
多个存储器扩展的片选问题
多个存储器扩展时，为了找到确切的存储器单元，必须考虑两个方面的 的问题：存储芯片的选择和芯片内部存储单元的选择。芯片内部存储单 元的选择在上一节里，我们已经做了介绍。 存储芯片的选择一般采用两种方法：线选法和译码法。在大容量多芯 片扩展时，一般采用译码法。常用的译码芯片有：74HC139(双2-4译 码器)、74HC138(3-8译码器)和74HC154〔4-16译码器)等。电路原理 图使用了74HC138译码器，下面做一介绍。 74HC138译码器具有3个选择输入端，可组成8种输入状态；具有8个输出端， 分别对应8种输入状态，且0电平有效，即：对应于每种输入状态，仅允许1 个输出端为0电平，其余全为1。
7.2.3
外部存储器存储单元地址编码
常用的外部数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。一般情况下，SRAM用 于仅需要小于64KB数据存储器的小系统，DRAM经常用于需要大于64KB的 大系统。 6264是8 K×8位的静态RAM芯片, 采用CMOS工艺制造, 为 28 引脚双列直插式封装,如图7-7所示。
地址总线的连接说明：P0口引脚输出的8位信号，作地址总线送 74HC373地址锁存器，为6264提供低8位地址信号；P2口的21～25 脚直接与6264的A12～A8脚相连接，提供了高5位地址；P2口的26～ 28脚做为138译码器的输入信号。 数据总线的连接说明：P0口引脚作数据总线，直接与6264相连接， 用于传送8位数据信号。 控制总线的连接说明：地址锁存信号ALE与74HC373地址锁存器输 入选通端LE相连，用于锁存P0口的送出的低8位地址信号；读信号 ( RD)与6264的输出使能端 ( OE )相连，用于单片机读数据控制；写信 WR)与6264的输入使能端( W E)相连，用于单片机写数据控制。 号( 由于片外扩展了两片芯片，必须进行芯片选择，故片选信号 ( CE ) 通过译码器74HC138进行片选，在某一时刻只有一片可以工作。
E1 74HC138译码器还有3个使能端E3、 和 E 2，必须同时输入有效电平，译码器 才能被选通；否则译码器的输出全为高。很明显ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ采用译码器寻址可节省单 片机的I/O口线，其引脚图和逻辑功能真值表如图7-9所示。
图 7-9 74HC138译码器的引脚图与真值表 结合电路原理图7-8可知，U3芯片的寻址空间固定在0000H~1FFFH之间，而 U4芯片的寻址空间固定在2000H~3FFFH之间。 如果此时再将MOV DPTR,#0200H;设置外存储器的首地址代码中的外部存 储器首地址0200H换成表7-1中的最右边一列中的任意一个16位地址编码， 则结果就会发生变化了，同学们可以试一试？
A1 A1 A13 5 4
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 6264SRAM的0200H单元 用13位二进制表示为 （0001000000000）2 A12——————————A0
16位地址编码
0200H 2200H 4200H 6200H 8200H A200H C200H E200H
当数据是在片外的数据存储器或I/O接口时，我们将使用MOVX指令进 行访问，指令格式简单易记，只有四种，如下图7-11所示。
当数据是在程序存储器中的常量数据，我们将使用MOVC指令进行访问， 指令只有两种，如图7-12所示。
想一想，做一做？
1、在电路原理图7-4和7-8中，片外没有扩展程序存储器。为 什么片外不去扩展程序存储器？如果要扩展，则相应的硬件电 路连线要注意什么事项？会不会和片外数据存储器的存储单元 地址发生冲突？
• 知识点
7.1 单片机系统扩展的基本概念
在由单片机构成的实际测控系统中，最小应用系统往往不能 满足要求，就要在设计系统时进行相应的系统扩展。
在单片机系统总体设计时，必须综合考虑接口器件的电气参数、 时序要求、功能、体积、成本等方面因素，选择合适外部扩展 方式，适当预留扩展空间，还要兼顾系统改进设计、产品升级 等方面的要求。
程序功能将程序中的表格数据送 给片外存储器。需要注意程序中 表格数据的访问和片外存储器单 元的访问都要用到DPTR数据指针， 本例通过堆栈保护方式加以区分。
电路原理图
电路分析如下：当PROTEUS仿真执行完成后，D1灯会点亮，可以通过 DEBUG菜单查看外存中的数据。
7.3.1
并行扩展总线连接说明
7.1.2
片外扩展芯片是如何被访问的
当单片机片外扩展了存储器、I/O接口等外围接口芯片之后，如何用地址来表 示这些芯片位置，以及通过地址来访问它们，就是接下来要考虑的问题了。
从图中，可以 看出由地址总 线通过译码器 决定访问四个 存储单元的哪 一个，由控制 总线给出读写 控制信号，由 数据总线来传 送数据。
图 7-2 存储器单元示意图
在并行总线结构外部扩展芯片时，所有外部芯片都看做为一个或多个存储 单元，通过系统三总线进行访问。
而51单片机中的程序和数据是按哈佛结构分别存储，所以要进一步区别 芯片中的内容是程序和数据了。 如果外部芯片存放的是程序指令，PC指针会自动 访问，此芯片是程序存储器 如果存放的是数据，则通过相关指令进行访问， 此芯片是或看做数据存储器了 7.1.3 51单片机对片外芯片的访问
通常情况下，微机的CPU外部都有单独的并行地址总线、数据总线和控制总 线，而AT89S51单片机由于受引脚的限制，数据线和地址线是复用的，而且 由Ｉ／Ｏ口线兼用。为了将它们分离出来，以便同单片机片外的芯片正确地 连接，需要在单片机外部增加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片 外三总线，如图7-3所示。
7.3.3
对数据进行访问的MOV、MOVX和MOVC指令比较
通过前两例程序代码的学习，我们知道单片机要进行处理的数据可能存在于 三种存储空间：内部数据存储器（包括工作寄存器区、位寻址区、通用工作 区，以及一些特殊功能寄存器SFR），外部数据存储器和程序存储器。如果 我们要对它们进行访问，就涉及了MOV、MOVX和MOVC三种指令。 当数据是在内部数据存储器或指令队列中，我们将使用MOV指令进行访问。 指令的访问形式多种多样，非常灵活。如图7-10所示。
想一想，做一做？
1、如果片外扩展的存储器并没有64KB空间，是不是可以用少于16根 地址线进行访问？
7.2 单片机片外扩展单片数据存储器
RAM是用来存放各种数据的， 51单片机内部有128字节RAM，但当单 片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，就必须进行单片机的外部 数据存储器扩展。 【例7-1】单片机的外存储器与内存储器进行数据传送
以上程序代码的作用是：（1）先将“STUDY HARD”这一个字符串逐行代 码送入内存储器30H单元地址开始的内存空间；（2）然后将这一字符串以 循环结构代码形式送入外部SRAM的200H地址开始的存储空间；（3）内存 中的这一字符串要连续送100趟次。
电路原理图
图 7-4 外部扩展一片数据存储器6264电路原理图