第五章系統擴展接口技術5.1 51系列單片機總線結構，擴展芯片的地址譯碼5.2 存儲器擴展5.3 I/O口擴展，8255芯片5.4 LED數碼管5.5 鍵盤接口,例題5.6 A/D接口擴展5.7 光耦器件接口5.151系列單片機總線結構，擴展芯片的地址譯碼

圖5-1MCS51單片機系統擴展結構圖5.1.1系統擴展結構

由圖5-1可以看出，系統擴展主要包括存儲器擴展和I/O接口部件擴展。 外部存儲器擴展又包括程序存儲器擴展和數據存儲器擴展。51單片機采用的是哈佛結構。擴展后，系統形成了兩個并行的外部存儲器空間。

51單片機采用并行總線結構，大大增加了系統的靈活性，使擴展易于實現，各擴展部件只要符合總線規范，就能很方便地接入系統。 由于系統擴展是以51單片機為核心，通過總線把51單片機與各擴展部件連接起來。因此，要進行系統擴展首先要構造系統總線。1系統總線及總線構造按功能通常把系統總線分為三組，如圖5-1所示。

1）．地址總線（AdressBus，AB）地址總線用于傳送單片機發出的地址信號，以便進行存儲單元和I/O接口芯片中的寄存器選擇。地址總線是單向傳輸的。2）．數據總線(DataBus，DB)數據總線用于在單片機與存儲器之間或與I/O端口之間傳送數據。數據總線是雙向的，可以進行兩個方向的傳送。3）．控制總線（ControlBus，CB）控制總線實際上就是單片機發出的各種控制信號線。2.構造系統總線

系統擴展的首要問題:

構造系統總線。系統總線上“掛”存儲器芯片或I/O接口芯片，“掛”存儲器芯片就是存儲器擴展，“掛”I/O接口芯片就是I/O擴展。1）．以P0口作為低8位地址/數據總線51單片機由于受引腳數目的限制，數據線和低8位地址線復用。為了將它們分離出來，需要外加地址鎖存器，從而構成與一般CPU相類似的片外三總線，見圖5-2。

MCS51擴展的片外三總線2).以P2口的口線作為高位地址線

P2口的全部8位口線用作高位地址線，再加上P0口經地址鎖存器提供的低8位地址，便形成了完整的16位地址總線（見圖5-2），使尋址范圍達到64KB。3)．控制信號線 除了地址線和數據線之外，還要有系統的控制總線。這些信號有的就是單片機引腳的第一功能信號，有的則是P3口第二功能信號。其中包括：（1）PSEN*信號作為外擴程序存儲器的讀選通控制信號。（2）RD*和WR*信號作為外擴數據存儲器和I/O接口的讀、寫選通控制信號。（3）ALE信號作為低8位地址的鎖存控制信號。（4）EA*信號作為內、外程序存儲器的選擇控制信號。 可看出，盡管51單片機有4個并行的I/O口，共32條口線，但由于系統擴展的需要，真正作為數字I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口線了。

5.1.3地址空間分配和外部地址鎖存器1.存儲器地址空間分配 如何把外部各自的64KB空間分配給各個程序存儲器、數據存儲器芯片，并且使程序存儲器的各個芯片之間，數據存儲器各芯片之間，為避免發生數據沖突，一個存儲器單元對應一個地址，這就是存儲器的地址空間的分配問題。 在外擴的多片存儲器芯片中，51單片機要完成這種功能，必須進行兩種選擇： 一是必須選中該存儲器芯片（或I/O接口芯片），這稱為“片選”，只有被“選中”的存儲器芯片才能被51單片機讀出或寫入數據。 二是在“片選”的基礎上再選擇該芯片的某一單元，稱為“單元選擇”。 常用的存儲器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）和地址譯碼法（簡稱譯碼法），下面分別介紹。1）．線選法 直接利用系統的高位地址線作為存儲器芯片（或I/O接口芯片）的“片選”控制信號。為此，只需要把用到的高位地址線與存儲器芯片的“片選”端直接連接即可。 線選法的優點是電路簡單，不需要另外增加地址譯碼器硬件電路，體積小，成本低。 缺點是可尋址的芯片數目受到限制。 另外，地址空間不連續，每個存儲單元的地址不唯一，不能充分有效地利用存儲空間。2）．譯碼法 使用譯碼器對51單片機的高位地址進行譯碼，將譯碼器的譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。是最常用的地址空間分配的方法，它能有效地利用存儲器空間，適用于多芯片的存儲器擴展。 常用的譯碼器芯片有74LS138（3-8譯碼器）74LS139（雙2-4譯碼器）74LS154（4-16譯碼器）。若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼；若僅部分高位地址線參加譯碼，稱為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。兩種常用的譯碼器芯片。（1）74LS138 74LS138是3-8譯碼器，有3個數據輸入端,經譯碼產生8種狀態。其引腳如圖5-3所示，真值表如表5-1所示。 由表5-1可見，當譯碼器的輸入為某一固定編碼時，其輸出僅有一個固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。而輸出為低電平的引腳就作為某一存儲器芯片的片選端的控制信號。圖5-3

表5-174LS138譯碼器真值表

輸入輸出

G1G2A*G2B*CBAY7*Y6*Y5*Y4*Y3*Y2*Y1*Y0*

（2）74LS139 74LS139是雙2-4譯碼器。兩個譯碼器完全獨立，分別有各自的數據輸入端、譯碼狀態輸出端以及數據輸入允許端。其引腳如圖5-4所示，真值表如表5-2所示（見P138）。圖5-4下面以74LS138為例，介紹如何進行地址分配。例要擴8片8KB的RAM6264，如何通過74LS138把64KB空間分配給各個芯片？

64KB地址空間的分配如圖4-5所示。圖5-52.外部地址鎖存器地址鎖存器芯片:74LS373、8282、74LS573等。1）.鎖存器74LS373帶有三態門的8D鎖存器,其引腳及內部結構如圖5-7和圖5-8。51單片機與74LS373的連接如圖5-9所示。引腳說明如下:D7～D0:8位數據輸入線。Q7～Q0:8位數據輸出線。G：數據輸入鎖存選通信號。OE*:

數據輸出允許信號。圖5-7圖5-8圖5-974LS373功能如表5-3所示。表5-374LS373功能表OE* G D Q

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 × 不變 1 × × 高阻態 5.2存儲器擴展5.2.1程序存儲器的連接1.地址線的連接程序存儲器的高位地址線直接與單片機的P2口相連；程序存儲器的低8位地址線通過一個鎖存器與單片機的P0口相連。這是因為P0口分時輸出地址和數據，所以，為了把地址信息分離保存，使用一個鎖存器將地址信息保存起來。2.數據線的連接MCS-51系列單片機的數據線只能是8位，由P0口輸出，直接將P0和外部存儲器的數據線相連就可以了。3.控制線的連接程序存儲器擴展時，需要用到ALE、PSEN、EA等信號;ALE是地址鎖存允許信號，通常接到地址鎖存器鎖存信號端；PSEN是片外程序存儲器讀選通信號，通常接在程序存儲器的讀允許端(OE)；EA是單片機讀片內/片外存儲器的選擇端，使用片外程序存儲器時接地。MCS-51單片機擴展外部程序存儲器的硬件電路4、程序存儲器的擴展連線

程序存儲器的擴展連線步驟1：

程序存儲器的擴展連線步驟2：

程序存儲器的擴展連線步驟3：

程序存儲器的擴展連線步驟4：

程序存儲器的擴展連線步驟5：

5.2.2數據存儲器的連接1.地址線的連接數據存儲器的高位地址線直接與單片機的P2口相連；數據序存儲器的低8位地址線通過一個鎖存器與單片機的P0口相連。這是因為P0口分時輸出地址和數據，所以，為了把地址信息分離保存，使用一個鎖存器將地址信息保存起來。2.數據線的連接MCS-51系列單片機的數據線只能是8位，由P0口輸出，直接將P0和外部存儲器的數據線相連就可以了。3.控制線的連接數據存儲器擴展時，需要用到ALE、RD、WR等信號;ALE是地址鎖存允許信號，通常接到地址鎖存器鎖存信號端；RD是片外數據存儲器讀選通信號，通常接在數據存儲器的輸出允許端(OE)；WR是片外數據寫選通信號，通常與數據存儲器的讀/寫控制端(WE)相連。MCS-51單片機擴展外部數據存儲器的硬件電路程序存儲器的擴展原理框圖

數據存儲器的擴展原理框圖

4、數據存儲器的擴展連線

數據存儲器的擴展連線步驟1：

數據存儲器的擴展連線步驟2：

數據存儲器的擴展連線步驟3：

數據存儲器的擴展連線步驟4：

數據存儲器的擴展連線步驟5：

數據存儲器的擴展連線步驟6：

5.2.3存儲器擴展電路原理圖

1.觀察U1、U2、U3的連接原理圖

2.U4的數據線D0～D7與U3的數據線D0～D7對應相連

3.U4的地址線A0～A7與U3的地址線A0～A7對應相連

4.U4的地址線A8～A12與U3的地址線A8～A12對應相連

5.U4與U1的連接

5.3I/O口擴展5.3.1開關信號的輸入/輸出方式 開關信號包括脈沖信號和電平信號。在單片機控制系統中，常采用如下方式實現開關信號的輸入和輸出。1.直接解碼輸入/輸出方式

在這種方式中，直接利用CPUI/O引腳輸入/輸出開關信號，如圖6-1(a)所示。 在直接解碼輸入/輸出方式中，每一I/O引腳僅能輸入或輸出一個開關信號，各引腳相互獨立，沒有編碼關系。顯然，采用直接解碼輸入/輸出方式時，I/O引腳的利用率較低，因而該方式只適用于僅需要輸入或輸出少量開關信號的場合。2.矩陣輸入/輸出方式

在這種方式中，將CPUI/O引腳分成兩組，用N條引腳構成行線，M條引腳構成列線，行、列交叉點就構成了所需的N×M個檢測點。顯然，所需的I/O引腳數目為N＋M，而檢測點總數達到了N×M個，如圖6-1(b)所示。可見，采用矩陣輸入/輸出方式時，I/O引腳的利用率較高，而且硬件開銷少，因此得到了廣泛應用。

在矩陣輸入/輸出方式中，如果行線和列線均被定義為輸出狀態，則可以輸出N×M個開關信號；當行、列線中有一組為輸出線，另一組為輸入線時，就構成了N×M個輸入檢測點，如矩陣鍵盤電路。

3.編碼輸入/輸出方式

在這種方式中，將若干條用途相同(均為輸入或輸出)的I/O引腳組合在一起，按二進制編碼后輸入或輸出。例如，對于n條輸出引腳，經二進制譯碼器譯碼后，可以控制2n個設備；對于2n個不同時有效的輸入量，經過編碼器與CPU連接時，也只需要n個引腳，如圖6-1(c)所示。

顯然，采用編碼輸入/輸出方式時，CPUI/O引腳利用率最高，但硬件開銷大，因此在單片機控制系統中很少采用。 圖6-1輸入/輸出方式(a)直接解碼輸入/輸出方式；(b)矩陣輸入/輸出方式；(c)編碼輸入/輸出方式5.3.2I/O資源及擴展 通過單片機芯片實現數字信號的輸入處理和輸出控制時，必須了解以下問題：

(1)準確理解CPU各引腳的功能，確定可利用的I/O資源，并做出相對合理的使用規劃。

(2)I/O端口作為輸出控制信號線時，

必須了解CPU復位期間和復位后相應引腳的狀態。

(3)了解I/O端口輸出級電路結構和I/O端口的負載能力。

(4)了解I/O端口輸出電平范圍。

(5)了解I/O端口最大耐壓。5.3.2.1利用鎖存器、觸發器擴展I/O口

當僅需要擴展少量的I/O引腳時，可利用鎖存器、觸發器或三態門電路實現。1.輸出口擴展 圖6-2利用74LS273芯片的輸出口擴展電路 當A15、A14、A13、A12、A11、A10為100110時，U3譯碼輸出端Y6*有效。 擴展端口的地址為9800H，執行如下指令即可將累加器Acc的內容鎖存到74LS273的輸出端。

MOVDPTR，#9800H ；輸出口地址送數據指針

MOVX@DPTR，A ；累加器Acc內容鎖存到 74LS273的輸出端

擴展輸出口的狀態不能讀出。當僅需要修改輸出口中個別位的狀態時，可使用具有位尋址功能的內部RAM單元作為擴展輸出口的映像地址，并采用間接方式訪問，即先對映像地址單元進行“讀—改—寫”操作，再將映像地址單元內容送外部端口。例如，通過如下指令即可將9800H口的b0位取反：

PORTP6DATA28H ；使用28H單元作為9800H ；端口的映像地址

MOVA，PORTP6 ；Acc←9800H端口映像地 ；址

CPLAcc.0 ；對b0位取反

MOVPORTP6，A ；回寫映像地址單元

MOVDPTR，#0B000H ；DPTR←端口地址

MOVX@DPTR，A ；端口映像內容b0位取反后 ；送74LS273輸出端2.輸入口擴展 對輸入口來說，一般無需鎖存，原則上三態門電路、具有三態輸出的總線緩沖器、驅動器、D型觸發器(如74LS374)以及電平觸發的鎖存器(如74LS373)等均可以作為輸入口擴展芯片，如圖6-3所示。 在圖6-3中分別使用了兩片74LS373、一片74LS125構成了三個數據輸入口，共擴展了20條輸入線 圖6-3輸入口擴展電路 圖6-4一個實用的輸入/輸出口擴展電路5.3.2.2利用“串入并出”及“并入串出”芯片擴展I/O口

在速度要求不高的情況下，可利用74LS164、74HC594、74HC595等“串入并出”芯片擴展輸出口，利用74LS165、74HC597等“并入串出”芯片擴展輸入口，這也是一種簡單、實用的I/O口擴展方式。 當串行口未用時，可通過串行口方式0完成串行數據的輸入/輸出；而當串行口已作它用時，可根據串行芯片的操作時序，使用I/O引腳模擬串行移位脈沖完成數據的輸入/輸出。 在圖6-5中，借助兩片74HC595“串入并出”芯片即可將8XC5X芯片的3根I/O引腳通過串行方式擴展為16根輸出引腳。圖6-5通過“串入并出”芯片擴展輸出引腳 假設擴展的輸出引腳ED7～ED0輸出的信息在內存中的映像地址為EDATA1，ED15～ED8輸出的信息在內存中的映像地址為EDATA1＋1，則可通過如下程序段將數據串行輸出到ED15～ED0引腳。

EDATA1DATA38H ；假設輸出數據存放在 ；38H、39H 單元中

SDI BITP1.0 ；串行數據輸入接P1.0引腳

SRCLK BIT P1.1 ；串行移位脈沖接P1.1引腳

RCLK BIT P1.2 ；并行輸出鎖存脈沖接P1.2 ；引腳

；----------串行數據輸出程序段---------

CLRRCLK ；并行鎖存脈沖置為低電平

MOVR0，#EDATA1

MOVR2，#2 ；共需要串行輸出兩個字節

LOOP1：

MOVA，@R0 ；取輸出數據

MOVR3，#8 ；右移8次

LOOP2：

CLRSRCLK ；串行移位脈沖置為低電平

RRCA ；帶進位Cy循環右移

MOVSDI，C ；串行數據送SDI

NOP ；插入NOP指令適當延遲(是否延 ；遲由CPU指令周期決定)

SETBSRCLK ；串行移位脈沖置為高電平，形成 ；上升沿

DJNZR3，LOOP2

INCR0 ；R0加1，指向高8位

DJNZR2，LOOP1 ；循環，輸出高8位

SETBRCLK ；并行輸出鎖存脈沖置為高電平， ；形成上升沿5.3.2.3利用8255可編程I/O芯片擴展MCS-51并行I/O口

常用的外圍I/O接口芯片有：

（1）8255：可編程的通用并行接口電路（3個8位I/O口） （2）8155：可編程的IO/RAM擴展接口電路（2個8位I/O

口,1個6位I/O口,256個RAM字節單元，1個14位的減法 定時器/計數器）。

8255是可編程并行I/O接口芯片，具有3個8位的并行I/O口，3種工作方式，可通過編程改變其功 能，因而使用靈活方便，通用性強。1.引腳說明

8255采用DIP40、PLCC44或QFP44封裝形式，引腳功能及排列如圖6-6所示。

圖6-68255的引腳功能及排列

(a)引腳功能； (b)引腳排列引腳功能:

D7～D0——數據總線，雙向，三態，可直接與CPU數據總線相連。

A1、A0——地址線，輸入。8255由A、B、C三個8位輸入/輸出口和一個控制/狀態寄存器組成，含有四個可尋址的I/O端口。A1、A0地址線狀態編碼與這四個I/O端口的對應關系如表6-1所示。 表6-1地址線狀態編碼與I/O端口的對應關系

CS*——片選信號，輸入，低電平有效。

WR*——寫選通信號，輸入，低電平有效。

RD*——讀選通信號，輸入，低電平有效。

PA7～PA0——A口數據輸入/輸出引腳。

PB7～PB0——B口數據輸入/輸出引腳。

PC7～PC0——C口數據輸入/輸出引腳。

Vcc——+5V電源。

RESET——復位引腳，高電平有效。（1）端口PA、PB、PC

功能和結構上有些差異

PA口：輸出鎖存和緩沖；輸入鎖存

PB口：輸出鎖存和緩沖；輸入緩沖

PC口：輸出鎖存；數據輸入緩沖

PC口可在軟件的控制下，分為兩個4位端口，作為PA口、PB口選通方式操作時的狀態控制信號。（2）A組和B組控制電路

A組：PA口和PC口的上半部（PC7～PC4）；

B組：PB口和PC口的下半部（PC3～PC0）,可根據“命令字”對PC口按位“置1”或“清0”。（3）數據總線緩沖器 三態雙向，作為8255A與單片機數據線之間接口，傳送數據、指令、控制命令及外部狀態信息。（4）讀/寫控制邏輯電路線 該電路接收CPU發來的控制信號,RESET,地址信號A1、A0等。對端口進行讀寫。

8255中的控制寄存器主要用于選擇A、B、C三個并行口的工作狀態。作輸出口時，A、B、C口均為一個8位的數據輸出鎖存和緩沖器；作輸入口時，A口為一個8位數據輸入鎖存器，而B、C口均為一個8位的數據輸入緩沖器(即B、C口對輸入數據不具備鎖存功能)。

表6-28255的工作狀態

3.工作方式選擇控制字及C口置位/復位控制字

8255I/O口有三種工作方式：

方式0，即基本輸入/輸出方式。

方式1，即選通輸入/輸出方式。 方式2，即雙向傳輸方式（僅A口有）。（1）工作方式選擇控制字 三種工作方式由方式控制字來決定。 控制字格式如下。

C口上半部分（PC7～PC4）隨A口稱為A組，

C口下半部分（PC3～PC0）隨B口稱為B組。 其中A口可工作于方式0、1、和2，而B口只能工作在方式0和方式1。 例

寫入工作方式控制字95H：10010101

可將8255A編程為：A口方式0輸入，B口方式1輸出，C口的上半部分（PC7～PC4）輸出，C口的下半部分（PC3～PC0）輸入。（2）C口按位置位/復位控制字 可對C口8位中的任一位置“1”或清“0”。用于位控。例

控制字07H寫入控制口，置“1”PC3；控制字08H寫入控制口，清“0”PC4。4.8255的三種工作方式

1）方式0

基本的輸入/輸出方式。

MCS-51可對8255進行數據的無條件傳送 基本功能為：（1）具有兩個8位端口（A、B）和兩個4位端口（C的上半部分和下半部分）。（2）任一個端口都可以設定為輸入或輸出，各端口的輸入、輸出可構成16種組合。（3）數據輸出鎖存，輸入不鎖存。

2）方式1

選通輸入/輸出工作方式。A口和B口通常用于I/O數據傳送，C口用作A口和B口的聯絡線，以中斷方式傳送數據。（1）方式1輸入 控制聯絡信號如圖6-7所示，STB*與IBF構成了一對應答聯絡信號，聯絡信號的功能如下：STB*：選通輸入，是由輸入外設送來的輸入信號。IBF：輸入緩沖器滿，高電平有效。該信號有效時，表示輸入到A口或B口輸入緩沖器內的數據未被CPU讀走，外設不能再把數據輸入緩沖器內。

INTR：中斷請求信號，高電平有效。由8255A輸出，向單片機 發中斷請求。

下面以A口為例，說明選通輸入方式下的數據傳輸過程，其硬件連接如圖6-7(a)所示。

圖6-7選通輸入/輸出連接示意圖(a)A口工作在選通輸入方式下信號連接方式及時序；(b)A口工作在選通輸出方式下信號連接方式及時序 ①當外設需要將數據輸入到8255A口時，先檢查IBFA(即PC5引腳)的狀態。

②當IBFA無效(即低電平)時，把數據送到A口。

③外設輸出STB*信號到8255的PC4引腳，將輸入數據鎖存到A口的輸入緩沖器中。

④8255接收到STB*信號后，一方面，在STB*信號的下降沿(即前沿)觸發IBFA，使PC5引腳為高電平，

通知外設不能再發送數據；另一方面，在STB*信號的上升沿(即后沿)將INTRA(即PC3引腳)置為有效狀態，向CPU發出中斷請求，告知CPU可以讀取A口的輸入數據。 ⑤CPU響應INTRA請求后，向8255發出RD*信號，讀A口數據。8255接收RD*信號后，在脈沖下降沿使INTRA無效(自動清除INTRA標志)，在上升沿使IBF無效，為接收下一外設數據做準備。

以上為完成一字節數據的接收過程。（2）方式1輸出 如圖6-7所示。OBF*與ACK*構成了一對應答聯絡信號，各信號的功能如下：

OBF*：輸出緩沖器滿信號，82C55給外設的聯絡信號，外 設可以將數據取走。

ACK*：外設的響應信號，外設已將數據取走。

INTR*：中斷請求信號。表示該數據已被外設取走，請求單 片機繼續輸出下一個