1、第7章 AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展 張定祥制作 貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院貴州省人才培養(yǎng)優(yōu)秀單位7.1 AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展及結(jié)構(gòu) 7.2 AT89C51單片機(jī)的存儲器擴(kuò)展7.3 并行I/O口擴(kuò)展實訓(xùn)八：用8255實現(xiàn)接口擴(kuò)展小結(jié)習(xí)題與思考題7.1 AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展及結(jié)構(gòu)7.1.1 系統(tǒng)總線 所謂系統(tǒng)總線，就是連接計算機(jī)中各部件以進(jìn)行信息傳輸?shù)囊唤M公共信號線。按其功能通常把系統(tǒng)總線分為三組，即地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)，如圖7-1所示。（1）地址總線（Address Bus，簡寫為AB） 在地址總線上傳送的是地址信號，用于存儲單元和I/O端口的選

2、擇。在51系列單片機(jī)中，由P2口提供高8位地址線，由P0口提供低8位地址線，故最多可以擴(kuò)展64KB個地址單元。在實際應(yīng)用中，由于P0口為分時復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，需要外加地址鎖存器鎖存低8位地址，通常選用的地址鎖存器是74LS373。（2）數(shù)據(jù)總線（Data Bus，簡寫為DB） 數(shù)據(jù)總線用于在單片機(jī)與存儲器之間或單片機(jī)與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)與單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的字長一致。 （3）控制總線（Control Bus，簡寫為CB） 控制總線可以用來傳送使單片機(jī)中各部件協(xié)調(diào)工作的定時信號和控制信號，從而保證正確執(zhí)行指令所要求的各種操作。系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線: 、 ：用于片外數(shù)據(jù)存儲

3、器（RAM）讀、寫控制信號線。 ：用于片外程序存儲器（ROM）取指令控制信號線。 ALE：用于鎖存P0口輸出的低8位地址A0A7的控制信號線。它通常在下降沿控制鎖存器鎖存地址信號。 ：用于選擇片內(nèi)或片外程序存儲器。片外信號對單片機(jī)的控制線: 、 ：用作外部中斷輸入線，其觸發(fā)方式可由程序設(shè)定。 T0、T1：既可以用作單片機(jī)的內(nèi)部定時器，也可以作為單片機(jī)的外部計數(shù)器，以實現(xiàn)外部對單片機(jī)工作的控制。 RESET：復(fù)位信號輸入線。當(dāng)該引腳保持2個機(jī)器周期以上的高電平（通常為10ms）時，可使單片機(jī)復(fù)位。7.1.2 存儲器擴(kuò)展的編址技術(shù) 片內(nèi)片外程序存儲器的選擇靠硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)：當(dāng) =0（低電平）時，不論

4、片內(nèi)有無程序存儲器，CPU都從外部程序存儲器0000H單元開始訪問；當(dāng) =1（高電平）時，則先訪問片內(nèi)程序存儲器，當(dāng)PC值超過片內(nèi)ROM范圍時，則自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器中的程序，但只能從1000H單元開始。 所謂存儲器編址，就是使用系統(tǒng)提供的地址總線（A0A15），通過適當(dāng)?shù)倪B接方式，最終達(dá)到一個編址唯一地對應(yīng)存儲器中一個存儲單元的目的。在進(jìn)行存儲器擴(kuò)展時，可供使用的編址方法有兩種，即線選法和譯碼法。 （1）線選法 所謂線選法，就是將存儲器芯片的地址線與單片機(jī)系統(tǒng)的地址線依次相連后，剩余的高位地址線直接作為存儲器芯片的片選信號。 特點：簡單明了，不需另外增加電路。 缺點：存儲空間不連續(xù)，存

5、在空地址。 適用于小規(guī)模單片機(jī)系統(tǒng)的存儲器擴(kuò)展。 （2）譯碼法 所謂譯碼法，就是使用譯碼器對系統(tǒng)的高位地址進(jìn)行譯碼，以其譯碼輸出作為存儲芯片的片選信號。 特點：存儲空間連續(xù)，沒有空地址，但需增加譯碼器電路，硬件比線選法復(fù)雜。 適用于大容量多芯片存儲器擴(kuò)展。 【例7.1】現(xiàn)有2K8位存儲器芯片，需擴(kuò)展為8K8位存儲器結(jié)構(gòu)。試采用線選法進(jìn)行擴(kuò)展。 【例7-2】現(xiàn)有2K8位存儲器芯片，需擴(kuò)展8K8位存儲器結(jié)構(gòu)。試采用譯碼法進(jìn)行擴(kuò)展。7.2 AT89C51單片機(jī)的存儲器擴(kuò)展 存儲器主要是存放程序或數(shù)據(jù)。按照存儲器存取功能的不同，半導(dǎo)體存儲器又可分為只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存儲器（RAM）。7.2.1

6、 程序存儲器的擴(kuò)展 AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有4KB Flash ROM，當(dāng)程序大于4KB時，就需要擴(kuò)展程序存儲器。 單片機(jī)系統(tǒng)中最常見的程序存儲器是用紫外線擦除的27系列EPROM芯片，如27C64（8KB）、27C128（16KB）、27C256（32KB）以及27C512（64KB）等。在一些特殊的場合，可能需要系統(tǒng)有在線編程功能，這時就只能用E2PROM和Flash ROM作為程序存儲器了。（1）EPROM 紫外線可擦除的可編程半導(dǎo)體只讀存儲器。一般以27開頭，雙列直插式28腳封裝結(jié)構(gòu)，掉電后信息不會丟失，編程時需要專用的編程器寫入。27系列芯片上一般都有一個小石英窗口，用于擦除其中的

7、信息，當(dāng)寫入調(diào)試好的程序后，一定要將小石英窗口用不透明的膠紙?zhí)希駝t，陽光中的紫外線可能會破壞其中的信息。常用EPROM芯片有 Intel 2716 （2KB8位）、2732 （4KB8位）、2764 （8KB8位）、27128（16KB8位）、27256（32KB8位）、27512（64KB8位）。 在此以2764作為單片機(jī)程序存儲器擴(kuò)展的典型芯片為例進(jìn)行說明。 2764的引線 2764是的管腳圖如圖7-5所示。 A12A0：13位地址信號輸入線，說明芯片的容量為8K個存儲單元。 D7D0 ：8位數(shù)據(jù)輸入線，表明芯片的每個存貯單元存放一個字節(jié)。 ：片選輸入信號線。當(dāng)它為有效低電平時，能選中

8、該芯片。 ：輸出允許信號。當(dāng)為低電平時，芯片中的數(shù)據(jù)可由D7D0輸出。 ：編程脈沖輸入端。當(dāng)對EPROM編程時，由此加入編程脈沖。讀時為高電平。2764的連接使用 a. 地址線的連接b. 數(shù)據(jù)線的連接c. 控制線的連接（2）E2PROM 電可擦除可編程只讀存儲器。一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲器芯片。E2PROM的使用非常簡單方便，不用紫外線擦除，在單一的+5V電壓下寫入的新數(shù)據(jù)即覆蓋了舊數(shù)據(jù)。 在此以E2PROM2864芯片為例進(jìn)行介紹。它是8KB電可擦除可編程只讀存儲器，采用單一的+5V供電，最大工作電流為160mA，具有28個引腳的雙列直插式集成電路芯片。 由于片內(nèi)設(shè)有編程所需的高壓脈沖產(chǎn)生

9、電路，因此無需編程電源和編程脈沖即可完成寫入工作。既可作為程序存儲器也可作為數(shù)據(jù)存儲器使用，只是連接方法有所不同。 E2PROM2864芯片引腳分布如圖7-7所示，各引腳的含義如下： A0A12為13根地址線，可尋址片內(nèi)8KB。 D0D7為數(shù)據(jù)輸入/輸出線。 為片選輸入線，當(dāng)為低電平時選中該芯片。 為數(shù)據(jù)輸出選通線，當(dāng)為低電平時數(shù)據(jù)可由D0D7輸出。 WE為寫入使能端，當(dāng)為低電平時數(shù)據(jù)可寫入片內(nèi)。 VCC為電源，一般為+5V。（3）閃速存儲器 可編程可擦除的ROM（簡稱PEROM）。具有掉電情況下信息可保存，且可以在線寫入（寫入前自動擦除）等特點，寫入時可以按頁連續(xù)字節(jié)寫入，讀出也是快速的。它

10、有比E2PROM更優(yōu)越的性能和更低的價格。很多廠商都生產(chǎn)Flash芯片，如ATMEL 公司的AT29C256（32KB Flash）、AT29C512（64KB Flash）等。 下面以AT29C256芯片為例介紹閃速存儲器的有關(guān)知識和使用方法。AT29C256芯片的容量為32KB，引腳數(shù)量為28條。 AT29C256芯片的引腳排列如圖7-8所示。 主要引腳功能如下： A0A14：地址線，可尋址片內(nèi)32KB。 I/O0I/O7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線。 ：片選信號線，低電平輸入有效。 ：輸出允許(讀允許)信號線，低電平輸入有效。 ：寫允許信號線，低電平輸入有效。7.2.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 單片機(jī)系統(tǒng)

11、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器按存儲器接口類型可分為兩種，即擴(kuò)展并行接口的數(shù)據(jù)存儲器和擴(kuò)展串行接口的數(shù)據(jù)存儲器。傳統(tǒng)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器的方法即是指擴(kuò)展并行接口的數(shù)據(jù)存儲器。 （1）數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展概述 單片機(jī)與數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和程序存儲器連接方法大致相同，簡述如下： a. 地址線的連接，與程序存儲器連法相同。 b. 數(shù)據(jù)線的連接，與程序存儲器連法相同。 c. 控制線的連接，主要有下列控制信號： 存儲器輸出信號和單片機(jī)讀信號相連即和P3.7相連。 存儲器寫入信號和單片機(jī)寫信號相連即和P3.6相連。 ALE：其連接方法與程序存儲器相同。 使用時應(yīng)注意，訪問內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)存儲器時，應(yīng)分別使用MOV及MOVX指令。

12、外部數(shù)據(jù)存儲器通常設(shè)置二個數(shù)據(jù)區(qū)： 低8位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū)。此區(qū)域?qū)ぶ房臻g為256個字節(jié)。CPU可以使用下列讀寫指令來訪問此存貯區(qū)。 讀存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXA，Ri 寫存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXRi，A 由于8位地址線尋址指令占字節(jié)少，程序運(yùn)行速度快，所以經(jīng)常采用。 16位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)外部RAM容量較大，要訪問RAM地址空間大于256個字節(jié)時，則要采用如下16位尋址指令。 讀存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXA，DPTR 寫存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXDPTR，A 由于DPTR為16位的地址指針，故可尋址64KB RAM字節(jié)單元。（2）數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展使用的典型芯片數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展常使用隨

13、機(jī)存儲器芯片，用得較多的是Intel公司的6116（容量為2KB8bit）和6264（容量為8KB8bit）。（3）數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展方法 單片數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展 89C51與6264的連接如表7-10所示。多片數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展7.3 并行I/O口擴(kuò)展 在51系列單片機(jī)的4個并行I/O口中，P0口和P2口通常用作地址線，不能作I/O口，P3口作為第二功能使用時，某些位要做控制線使用，所以只有P1口可以完全作為I/O口使用。因此，對復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)往往不夠用，必須進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。 51系列單片機(jī)的片外擴(kuò)展I/O口和片外RAM統(tǒng)一編址，擴(kuò)展的接口相當(dāng)于擴(kuò)展的片外RAM，CPU訪問外部接口如同訪問外部RAM，

14、也使用“MOVX”指令。7.3.1 基本I/O口的擴(kuò)展 在一般的應(yīng)用系統(tǒng)中，常用TTL電路或CMOS電路進(jìn)行并行數(shù)據(jù)的輸入輸出。根據(jù)“輸入三態(tài)，輸出鎖存”與總線相連的原則，選擇74HC系列的TTL電路或MOS電路即可組成簡單的擴(kuò)展I/O口。簡單的并行輸入、輸出口擴(kuò)展電路。 從圖7-12可知，輸入和輸出接口都是在P2.7為0時有效，故輸入和輸出口占有相同的地址編碼（設(shè)為7FFFH），但由于它們分別由和信號控制，仍然不會發(fā)生沖突。 如果要訪問74HC273可以使用指令MOV DPTR，#7FFFH和寫外部I/O口指令MOVX DPTR，A實現(xiàn)。要是訪問74HC244可以使用指令MOV DPTR，#

15、7FFFH和讀外部I/O口指令MOVX A，DPTR實現(xiàn)。 用串行口擴(kuò)展I/O口 在圖7-14中，單片機(jī)的RXD作為串行輸入端與并入串出移位寄存器74LS165的串行輸出端QH相連。TXD為移位脈沖輸出端，與所有的74LS 165芯片的移位脈沖輸入端CP相連。用一根I/O線P1.0與74LS 165的置位/移位端S/L相連，以控制74LS 165的置位和移位。擴(kuò)展多個8位輸出口時，應(yīng)將兩芯片的首尾（QH與SIN）相連。從圖7-14可知，利用74LS165可將外部16位數(shù)據(jù)并行輸入74LS165，再串行讀入單片機(jī)，并把它們轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)。 在圖7-15中，使用8位串入并出移位寄存器74L

16、S164擴(kuò)展并行輸出口，用單片機(jī)的RXD（P3.0）端作為串行輸出與74LS164的數(shù)據(jù)輸入端A、B（1、2腳）相連。TXD（P3.1）為移位脈沖輸出端，與74LS164的時鐘脈沖輸入端CP（8腳）相連。由P1.0線控制74LS164的清除端S/L（9腳）。7.3.2 可編程I/O口芯片8255及應(yīng)用（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，該芯片有A、B、C共3個8位并行I/O口，具有3個通道3種工作方式。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。 8255是一個40引腳的雙列直插式集成電路芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-16所示。 圖7-16 8255內(nèi)部結(jié)

17、構(gòu)圖 數(shù)據(jù)總線緩沖器：這是一個雙向三態(tài)的8位數(shù)據(jù)緩沖器，它是8255與CPU數(shù)據(jù)總線的接口。 三個I/O端口A，B和C：三個端口都是8位的，但是在結(jié)構(gòu)和功能上有所不同。A端口包含一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。B端口包含一個8位數(shù)據(jù)輸入/輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。C端口包含一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，無輸入緩沖功能。 A組和B組控制電路：8255的三個端口在使用時分為A、B組。A組包括A端口8位和C端口的高4位，B組包括B端口8位和C端口的低4位。 讀寫控制邏輯： A0、A1兩位地址信號，用于端口選擇； 和 為8255的讀寫

18、控制信號； 為片選信號；RESET為復(fù)位信號，芯片復(fù)位后，控制寄存器清0，各端口被置為輸入方式。對8255的端口尋址見表7-13。表7-13 8255端口尋址操 作A0A1功 能讀操作00001A口數(shù)據(jù)總線00101B口數(shù)據(jù)總線01001C口數(shù)據(jù)總線寫操作00010數(shù)據(jù)總線A口00110數(shù)據(jù)總線B口01010數(shù)據(jù)總線C口01110數(shù)據(jù)總線控制字寄存器禁止功能1D7D0數(shù)據(jù)總線呈高阻狀態(tài)01101非法狀態(tài)011D7D0數(shù)據(jù)總線呈高阻狀態(tài)（2）工作方式和控制字 工作方式控制字。8255的工作方式控制字有兩個：方式控制字、端口C按位置位/復(fù)位控制字。8255有三種工作方式： 方式0基本輸入/輸出方式

19、； 方式1選通輸入/輸出方式； 方式2雙向選通輸入/輸出方式。 由CPU輸出指令輸出一個控制字到8255的控制寄存器來選擇各端口的工作方式。 a方式控制字。 例如，要求8255的工作方式為：A口為方式0輸入，B口為方式1輸入，C口高4位輸入，C口低4位輸出，則方式控制字為10011110B即9EH。b端口C按位置位/復(fù)位控制字。 例如，要將PC3置1，則C口置位控制字應(yīng)寫入00000111B即07H。 8255工作方式a方式0-基本輸入/輸出方式。適用于無條件數(shù)據(jù)傳送，可供使用的是兩個8位口（A口和B口）和兩個4位口（C口高4位部分和C口低4位部分）。沒有規(guī)定固定的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號，可用A，B，C

20、三個口的任一位充當(dāng)查詢信號，其余I/O口仍可作為獨立的端口和外設(shè)相連。b方式1-選通輸入/輸出方式。該方式下A口和B口是數(shù)據(jù)口，C口是控制口，用于傳送和保存數(shù)據(jù)口所需要的聯(lián)絡(luò)信號。其中C口需要6位(分成兩個3位)分別作為A口和B口的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線，其余2位仍可工作在方式0，可通過編程設(shè)置為輸入或輸出。方式1是有條件的，適用于以查詢或中斷方式進(jìn)行控制。c方式2-雙向傳送方式。只有A口才能選擇這種工作方式，這時A口既能輸入數(shù)據(jù)又能輸出數(shù)據(jù)。方式2適用于查詢或中斷方式的雙向數(shù)據(jù)傳送。如果把A口置于方式2下，則B口只能工作于方式0。在這種方式下需使用C口的5位口線作控制線。C口作為聯(lián)絡(luò)信號時其分布情況見表

21、7-14所示。 表7-14 8255 C口的聯(lián)絡(luò)信號C口位線方式1方式2輸入輸出輸入輸出PC7PC6PC5IBFAIBFAPC4PC3INTRAINTRAINTRAINTRAPC2IBFBPC1PC0INTRBINTRB實訓(xùn)八：用8255實現(xiàn)接口擴(kuò)展1實訓(xùn)目的 通過本次實訓(xùn)，（1）學(xué)會可編程I/O口芯片8255A的使用；（2）學(xué)會鎖存器74LS373的使用；（3）熟練掌握單片機(jī)用8255實現(xiàn)擴(kuò)展控制數(shù)碼管滾動顯示數(shù)字串的方法與技巧；（4）進(jìn)一步熟悉調(diào)試C51源程序的方法與技巧。2知識要點 (1)硬件電路及工作原理 本實訓(xùn)是通過可編程I/O芯片8255A擴(kuò)展控制數(shù)碼管動態(tài)顯示一串?dāng)?shù)字。硬件電路圖

22、見教材176頁。其中AT89C51為美國ATMEL公司生產(chǎn)的MCS-51單片機(jī)。電阻R1、電容C3組成上電自動復(fù)位電路。X1為石英晶體振蕩器，它與電容C1和C2共同組成時鐘振蕩電路。八位LED數(shù)碼管顯示數(shù)字，為共陽極結(jié)構(gòu)，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示方式。 74LS373為地址鎖存器，用來鎖存P0口輸出的低8位地址。8255A擴(kuò)展使用PA口控制數(shù)碼管段碼，PB口控制數(shù)碼管位碼。 （2）參考程序見教材177頁。3實訓(xùn)器材 （1）DICE-5208K開發(fā)型單片機(jī)綜合實驗儀1套。 （2）PC機(jī)1臺。 （3）DICE-3000仿真器1臺。 （4）帶插針的導(dǎo)線若干。4實訓(xùn)內(nèi)容及步驟 （1）啟動ISIS7 pr

23、ofessional軟件（具體使用方法見本教材附錄五），并用其繪制圖7-20所示電路原理圖。 （2）啟動Keil C51 uvision4軟件（具體使用方法見本教材附錄四）。建立工程，輸入上述C51參考源程序并編譯調(diào)試生成二進(jìn)制的目標(biāo)文件。 （3）將第（2）步生成的二進(jìn)制目標(biāo)文件加載到第（1）步所繪圖7-20所示電路原理圖的AT89C51單片機(jī)中，然后仿真運(yùn)行觀察數(shù)碼管的顯示情況是否符合要求。 （4）按硬件電路焊好電路板，將參考程序?qū)懭階T89C51單片機(jī)中，通電，觀察數(shù)碼管的顯示情況是否符合要求。5思考題（1）簡述鎖存器74LS373的作用。（2）說明8255A分別用哪個端口控制段碼和位碼？

24、（3）本實訓(xùn)有哪些注意事項？（4）如何用匯編語言編程實現(xiàn)該功能？小 結(jié)本章主要介紹了單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)與方法，存儲器的類型及與單片機(jī)的連接方法，并行I/O端口擴(kuò)展與可編程芯片8255的使用。第一，單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。MCS-51單片機(jī)常使用并行總線結(jié)構(gòu)，采用三總線方式。其存儲器擴(kuò)展編址方法有線選法和譯碼法兩種。譯碼法中常用的譯碼芯片是74LS138和74LS139。第二，存儲器擴(kuò)展包括程序存儲器擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展兩種。其中程序存儲器常用芯片有EPROM、E2PROM和Flash ROM。數(shù)據(jù)存儲器主要是SRAM芯片，另外E2PROM和Flash ROM也可作數(shù)據(jù)存儲器使用，只是讀寫的速度

25、較SRAM慢。 第三，單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展包括并行和串行I/O口的擴(kuò)展兩種。簡單I/O口擴(kuò)展主要是使用74LS244和74LS273實現(xiàn)擴(kuò)展輸入和輸出。另外常用可編程I/O接口芯片8255進(jìn)行擴(kuò)展，它可用編程的方法擴(kuò)展三個端口：A口、B口和C口。習(xí)題與思考題一、填空題 1MCS-51單片機(jī)在訪問片外存儲器時，利用 信號鎖存來自 口的低8位地址信號。 28051單片機(jī)擴(kuò)展I/O口時占用片外 存儲器的地址。 38051單片機(jī)尋址外設(shè)端口時用 尋址方式。 4三態(tài)緩沖寄存器輸出端的“三態(tài)”是指 態(tài)、 態(tài)和 態(tài)。 5擴(kuò)展外圍芯片時，片選信號的二種產(chǎn)生方法為： 、 。 674LS138是具有3個輸入端的譯碼器芯片，其輸出作為片選信號時，最多可以選中 塊芯片。 774LS273通常用來作簡單 接口擴(kuò)展