原创 单片机系统扩展及接口技术

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单片机系统扩展及接口技术

5.1 存储器扩展技术
       MCS-51 系列单片机具有64KB 的程序存储器空间，其中8051 和8751 片内有4KB 的程序存储
器，8031 片内无程序存储器，当采用8051、8751 而程序超过4KB 或采用8031 时，就需对程序存储
器进行扩展。另外，MCS-51 系列单片机的程序存储器空间与数据存储器空间相互独立，其中片外数
据存储器可达64KB，而片内的数据存储器仅有128 字节，对于某些应用可能不够，这时就需对内部
数据存储器进行外部扩展。
如前面几章所述，MCS-51 单片机对外没有专用的地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总
线（CB），那么在进行系统扩展时，首先需要扩展系统的三总线。
5.1.1 单片机系统的三总线
    (1) 外部总线的扩展
       通过MCS-51 的引脚ALE 可实现对外总线的扩展。在ALE 为有效高电平期间，P0 口上输出低
8 位地址A7~A0，因此只需要在CPU 的片外扩展一片地址锁存器，用ALE 的有效高电平边沿作锁存
信号，可将P0 口的地址信息锁存，直到ALE 再次有效。在ALE 的无效期间P0 口传送数据，用作
数据总线口，因此，P0 口实为分时复用的地址/数据总线。P2 口上输出高8 位地址A15~A8。再通过
P3 口的第二功能扩展出读/写控制信号。最后由P0、P2、P3（第二功能）和地址锁存器构成系统的
三总线。。
        通常用作单片机的地址锁存器芯片有74LS373、74LS373、8282、74LS377 等。74LS373 和8282 是带三态输出的8 位锁存器，两者的结构和用法类似。以74LS373 为例，当输
出使能端OE无效时输出为高阻态；当输出使能端OE有效时，锁存端LE 为高电平，输出随输入变化，
锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。74LS273 是8D 触发器，当CLK 端上升沿到来时，将D 端的数据锁存。CLR为低电平时被清0。作为地址锁存器使用，可将ALE 反相接CLK 端，CLR接+5V。
(2) 总线驱动
       在单片机应用系统中，扩展的三总线上往往会挂很多负载，如存储器、并行接口、A/D 接口、显示器和键盘接口等，而单片机本身的总线驱动能力很有限，因此通常需要通过连接总线驱动器进行总线驱动。总线驱动器对于单片机的I/O 口只相当于增加了一个TTL 负载，增加了总线驱动器后，可以大大地增加总线驱动能力，以使之能挂接更多的负载。另外还能对负载的波动变化起隔离作用，提高系统的抗干扰能力。在对TTL 负载驱动时，一般只需考虑驱动电流的大小；在对MOS 负载驱动时，MOS 负载的输入电流很小，更多地要考虑电平的兼容和分布电容的电流。一般TTL 电平和CMOS 电平是不兼容的，CMOS 电路能驱动TTL 电路，而TTL 电路一般不能驱动CMOS 电路，在TTL 电路和CMOS 电路混用的系统中，应特别注意。
1. 常用的总线驱动器
        系统总线中地址总线和控制总线是单向的，因此总线驱动器可以选用单向的，如74LS244，74LS244 还带有三态控制端能实现总线的缓冲与隔离。但系统总线中数据总线是双向的，其总线驱动器必须选用双向的，74LS245，74LS245 也是三态的，有一个方向控制端DIR，DIR=1 时输出（Ai→Bi）DIR=0 时输入（Ai←Bi）。

2. 总线驱动器的接口
      由于P2 口始终输出地址的高8 位，接口时74LS244 的三态控制端1G和2G接地，P2 口与驱动器输入线对应相连。
P0 口与74LS245 输入端相连，E端接地，保证数据现畅通。8051 的RD和PSEN相与后接DIR，使得RD或PSEN有效时，74LS245 输入（P0.i←Di），其它时间处于输出（P0.i→Di）。
5.1.2 常用的存储器芯片
存储器是计算机的记忆部件。CPU 要执行的程序、要处理的数据、处理的中间结果等都存放在存储器中。目前微机的存储器几乎全部采用半导体存储器。存储容量和存取时间是存储器的两项重要指标，它们反映了存储记忆信息的多少与工作速度的快慢。半导体存储器根据应用可分为读写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类。
(1) 读写存储器(RAM)
读写存储器又称随机存取存储器(Random Access Memory)简称RAM，它能够在存储器中任意指定的地方随时写入或读出信息；当电源掉电时，RAM 里的内容即消失。根据存储单元的工作原理，RAM 又分为静态RAM 和动态RAM。静态RAM 用触发器作为存储单元存放1 和0，存取速度快，只要不掉电即可持续保持内容不变。一般静态RAM 的集成度较低，成本较高。动态RAM 的基本存储电路为带驱动晶体管的电容。电容上有无电荷状态被视为逻辑1 和0。随着时间的推移，电容上的电荷会逐渐减少，为保持其内容必须周期性地对其进行刷新(对电容充电)以维持其中所存的数据，所以在硬件系统中也得设置相应的刷新电路来完成动态RAM 的刷新，这样一来无疑增加了硬件系统的复杂程度，因此在单片机应用系统中一般不使用动态RAM。静态RAM 的基本存储电路为触发器，每个触发器存放一位二进制信息，由若干个触发器组成一个存储单元，再由若干存储单元组成存储器矩阵，加上地址译码器和读／写控制电路就组成静态RAM。静态RAM 的结构如图5.4 所示。与动态RAM 相比，静态RAM 无须考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。但由于静态RAM 是通过有源电路来保持存储器中的数据，因此，
要消耗较多功率，价格也较高。RAM 内容的存取是以字节为单位的，为了区别各个不同的字节，将每个字节的存储单元赋予一4个编号，该编号就称为这个存储单元的地址，存储单元是存储的最基本单位，不同的单元有不同的
地址。在进行读写操作时，可以按照地址访问某个单—元。由于集成度的限制，目前单片RAM 容量很有限，对于一个大容量的存储系统，往往需要若干RAM 组成，而读／写操作时，通常仅操作其中一片(或几片)，这就存在一个片选问题。RAM 芯片上特设了一条片选信号线，在片选信号线上加入有效电平，芯片即被选中，可进行读／写操作，末被选中的芯片不工作。片选信号仅解决芯片是否工作的问题，而芯片执行读还是写则还需有一根读
写信号线，所以芯片上必须设读／写控制线。
下面是几种常用静态RAM：
在8031 单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器RAM 芯片有6116(2Kx8)和6264(8Kx8)两种。
1. 静态随机存储器芯片6116
6116 是2kx8 位静态随机存储器芯片，采用CMOS 工艺制作，单一+5V 电源，额定功耗160mW，典型存取时间为200ns，24 线双列直插式封装，其管脚与逻辑符号如图5.4(a)、(b)所示。A0—A10 为片内11 位地址线；IO0～IO7 为8 位数据线；CE为片选信号线；OE、WE为读、写信号线。表5.1 为6116 的工作方式。

2. 静态随机存储器芯片6264
6264 是8Kx 8 位的静态随机存储器芯片，它也是采用CMOS 工艺制作，由单一+5V 式供电，额定功耗200mW，典型存取时间为200ns。为28 线双列直插式封装，其管脚与逻辑符号如图5.5(a)、(b)所示。与6116 相比，地址线增加两根，。为A0～A12，有两个片选端(CE1、CE2)，表5.2 为6264的工作方式。
(2) 只读存储器(ROM)
       只读存储器(Read Only Memory)简称ROM， ROM 一般用来存储程序.和固定的数据，比如计算机的系统程序、一些固定表格等。与RAM 不同，当电源消失时，ROM 仍能保持内容不变。在读取该地址内容这点上，ROM 类似于RAM。但ROM 并不能修改其内容。只读存储器有掩膜ROM、PROM、EPROM 和E2PROM 等。
1. 掩膜ROM
这种ROM 基本存储电路的0 或1 两种状态是在制造电路时由生产厂根据用户提出的要求，通过掩膜技术制作或不制作晶体管栅极采实现的。一旦制作完毕，存储内容就不可修改，大批量生产时成本很低。掩膜ROM 只适用于成熟的产品中。
2. PROM
PROM 是一种由用户编程且只能编程一次的ROM。每个基本存储电路都是一个带熔丝的三极管或二极管，编程后丝断为“1”，末断者为“0”。出厂时PROM 为熔丝末断。使用时用户用专用编程器进行对其编程，对需写1 的单元，通过大电流以熔断其熔丝。丝断后无法复原，因此只能写入一次。PROM 属于早期的ROM 产品，目前已基本淘汰。
3. EPROM
EPROM 是一种可多次写入的ROM。其特点是写入的信息可以长期保存，当不需要这些信息或欲进行修改时，可进行擦除和重写。EPROM 芯片上开有一石英窗口，当芯片置于紫外线下照射时，高能光子与被禁锢在EPROM 悬浮栅中的电子相碰撞，使其获得较高的能量，逐渐透过结缘层消失，于是，以电荷形式存储的信息即被擦除，EPROM 在开发样机方面非常有用，因为在研制过程中多数修改程序的情况颇为常见。
        MCS—51 单片机应用系统中使用得最多的EPROM 程序存储器是Intel 公司的典型系列芯片2716(2 K×8)、2732A(4 K×8)、2764(8 K× 8)、27128(16 K×8)、27256(32 K×8)和27512(64 K×8)等。
        另外，各种型号的EPROM 还可以有不同的应用参数。主要有最大读出速度、工作温度、电压容差等。在应用系统中选择EPROM 芯片时，除了容量以外，必须注意这些参数。在实际扩展电路设计中应注意以下几点：
     A. 根据应用系统容量要求选择EPROM 芯片时，应使应用系统电路尽量简化，在满足容量要求时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数量。
     B. 择好EPROM 容量后，要选择好能满足应用系统应用环境要求的芯片型号。例如在确定选择8kEPROM 芯片后根据不同的应用参数在2764 中选择相应的型号规格芯片。这些应用参数主要有最大读取时间、电源容差、工作温度以及老化时间等。如果所选择的型号不能满足使用环境要求时，会造成工作不可靠，甚使不能工作。
    C. 选用的锁存器不同，电路连接不同。目前使用最多的几种锁存器管脚均不能兼容。
     D. Intel 公司的通用EPROM 芯片管脚有一定的兼容性，在电路设计时应充分考虑其兼容特点。例如，为了保证2764、27128、27256 在电路中的兼容，可将第26、27 管脚的印刷电路连线做成易于改接的形式。
4. E2PROM
      电擦除可编程只读存储器E2PROM (ElectricallyErasablePROM)是近几年出现的新产品。其主要优点是能在应用系统中进行在线电擦除和在线电写入，并能在断电情况下保持修改的结果。它比紫外线擦除的EPROM 要方便。因此，在智能仪表、控制装置、分布式监测系统子站、开发装置中得到广泛应用。
A. E2PROM 的应用特性：
a. 对硬件电路没有特殊要求，操作使用十分简单；
b. 采用+5V 电擦除的E2PROM，通常不须设置单独的擦除操作，可在写入的过程中自动擦除。但目前擦抹时间尚较长，约需10ms 左右，故要保证有足够的写入时间。有的E2PROM 芯片设有写入结束标志可供中断或查询。
c. E2PROM 器件大多是并行总线传输的。但也有采用串行数据传送的E2PROM，串行EEPROM具有体积小、成本低、电路连接简单、占用系统地址线和数据线少的优点，但数据传送速率较低。
d. E2PROM 可作为程序存储器使用，也可作为数据存储器使用，连接方式较灵活。

5.1.3 程序存储器扩展
        2716 与8031 接口主要解决两个问题：一是硬件连接问题；二是根据实际连接确定芯片的地址。

由图5.11 可确定2716 芯片的地址，2716 使用11 根地址线A10~A0，地址范围从全“0”到全“1”，
由于A15~A11 没有使用，故地址范围是XXXXX00000000000B~ XXXXX11111111111B。而
0000000000000000B~ 0000011111111111B（0000H~7FFFH）是其中的一个地址范围。
3. E2PROM 2816A 扩展电路
2864A 与8051 的接口电路如图5-9 所示。图中采用了将外部数据存储器空间和程序存储器空间合并的方法，即将PSEN信号与RD信号相“与”，作为单一的公共存储器的读选通信号，这样8031就可以对2864A 进行读/写操作了。此外，为了方便起见，图中2864A 的片选信号CE 直接接地，在实际应用中应合理分配其地址空间，通过74LS138 译码后作为2864A 的片选信号。
由图5.12 可确定2816 芯片的地址，2816 使用11 根地址线A10~A0，地址范围从全“0”到全“1”，由于A15~A11 没有使用，故地址范围是XXXXX00000000000B~ XXXXX11111111111B。而000000000000000B~ 0000011111111111B（0000H~7FFFH）是其中的一个地址范围。
5.1.4 数据存储器扩展
MCS-51 芯片内不仅有128 字节的RAM 存储器，它们可以作为工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器。CPU 对其内部RAM 有丰富的操作指令，因此这个RAM 存储器是十分珍贵的资源，应合理地利用片内RAM 存储器，充分发挥它的作用。但在实时数据采集和处理应用系统中，仅靠片内RAM 存储器是远远不够的，因而必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态RAM 和动态RAM 两种。在单片机应用系统中为避免动态RAM 的刷新问题，通常使用静态RAM。下面主要讨论静态RAM 与MCS-51 的接口。
1. 外部数据存储器的扩展方法及时序
单片机扩展外部RAM 的原理图见图5-13 所示，数据存储器只是用WR、RD扩展线而不使用PSEN。因此，数据存储器和程序存储器地址空间完全重叠，均为0000H~0FFFFH，但数据存储器与I/O 端口及外部设备是统一编址的，即任何扩展的I/O 端口及外部设备均占用数据存储器的地址空间。MCS-51 单片机读写外部数据存储器的时序如图5-14 所示。在图5-14(a)的外部RAM 读周期中，P2 口输出高8 位地址，P0 口分时传送低8 位地址和数据。ALE 的下降沿将低8 位地址打入地址锁存器后，P0 口变为输入方式。RD的有效选通外部RAM，相应存储单元的内容送到P0 口，由CPU读入累加器。外部RAM 写操作时，时序如图图5-14(a)所示。其操作过程与读周期类似。写操作时，在ALE
下降为低电平后，WR信号才有效，P0 口上出现的数据写入相应的存储单元。
2. 静态RAM 的扩展
下面以静态RAM 6264 为例，介绍MCS-51 单片机静态RAM 的扩展。
6264 是8Kx8 位的静态RAM，采用CMOS 工艺制造，单+5V 电源供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。
电路中6264 的地址线A12~A0 与锁存器的输出及P2 的对应线相连，6264 的数据线D7~D0 与P0口对应相连，6264 的控制线OE和WR与8031 的RD和WR对应相连，CS2 接8031 的P2.7，CS1接地。按照这种片选的方式，6264 的8KB 地址范围不唯一（因为A14A13 可为任意值），其地址范围是：1XX0000000000000B~1XX1111111111111B，而1000000000000000B~1001111111111111B( 8000H~9FFFH)是其中的一个地址范围。
5.1.5 多片存储器芯片的扩展
上面讨论的是8031 扩展一片EPROM 或RAM 的方法。在实际应用中可能需要扩展多片EPROM
或RAM。如果用2764A 扩展64K×8 的EPROM，就需要8 片2764A。当CPU 通过指令MOVC A，
@A+DPTR 发出读EPROM 操作时，P2、P0 发出的地址信号应能满足选择其中一片的一个单元，即
8 片2764A 不应该同时被选中，这就是所谓的片选。片选的方法有两种：线选法和地址译码法。
1. 线选法
图5.16 用线选法实现片选
线选法使用P2、P0 口的低位地址线对每个芯片内的统一存储单元进行寻址，称为字选。所需地
址线数由每片的存储单元数决定，对于8K×8 容量的芯片需要13 根地址线A12~A0，然后将余下的
高位地址线分别接到个存储芯片的片选端
_____
CS。图5.16 是利用线选法，用3 片2746A 扩展24K×8 位
EPROM 的电路图。
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线选法的优点是，硬件简单，不需要地址译码器，用于芯片不太多的情况；缺点是：1.每个存
储器芯片之间的地址不连续，因此，当程序较大一片EPROM 不能装下时，也不能使用此法来扩展
程序存储器。2.线选法容易出现多片存储器芯片会被同时选中的情况，如图5.16 所示电路，当
P2.7=P2.6=P2.5=0,也就是当地址A15A14A13=000B 时，MEM1、MEM2 和MEM3 被同时选中，这是不
允许出现的，所以图5.16 所示电路并不实用。
2. 地址译码法。
译码法寻址就是利用地址译码器对系统的片外高位地址进行译码，以译码器输出作为芯片的片
选信号，可将地址划分为连续的空间块，避免了地址的不连续。另外译码器在任何时候至多仅有一
个有效片选信号输出，保证不出现多片存储器芯片会被同时选中的情况。
译码法仍用低位地址对每片内的存储单元进行寻址，而高位地址线经过译码器译码后输出作为
各芯片的片选信号。常用的地址译码器是3/8 译码器74LS138。
地址译码法又分为完全译码和部份译码两种：
A. 完全译码：译码器使用全部地址线，地址与存储单元一一对应；
B. 部份译码：译码器使用部份地址线，地址与存储单元不是一一对应。部份译码会大量浪费寻
址空间，对于要求存储器空间大的微机系统，一般不采用。但对于单片机系统，由于实际需要的存
储容量不大，采用部份译码可简化译码电路。

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