深度解讀MCS51單片機(jī)時(shí)序分析及系統(tǒng)擴(kuò)展

作者：周姝穎，林凡強(qiáng)，何凌霄，富 饒

AT89C51單片機(jī)是ATMEL公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的與MCS51內(nèi)核兼容的51系列單片機(jī)之一，該系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能和成熟的技術(shù)在控制和自動化應(yīng)用領(lǐng)域占有著較大的市場；除此以外，51單片機(jī)有著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)典的總線結(jié)構(gòu)，即：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。

在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)的4個(gè)端口中，P0口通常是作為地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用；P2口作為高8位地址總線，高8位地址線在有多余I/O的情況下，配合外部的組合邏輯電路一起構(gòu)成外部總線譯碼使用；P3口通常作為第二功能使用,則提供給用戶使用的I/O僅僅是P1口。在多數(shù)應(yīng)用場合下是不能滿足要求的，因此51單片機(jī)系統(tǒng)就或多或少地需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。另外，由于其內(nèi)部的RAM只有128 B,在使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)顯得比較不足，必要時(shí)需進(jìn)行外部RAM擴(kuò)展，方法與擴(kuò)展外部I/O相同。實(shí)際應(yīng)用中，使用總線方法可以較容易地實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)外部的I/O、RAM、LCD、ADC、DAC等等外設(shè)的操作,以彌補(bǔ)51單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)的不足。

1 MCS51單片機(jī)系統(tǒng)的四要素

1.1 51單片機(jī)系統(tǒng)的啟動

MCS51單片機(jī)上電正常工作，需具備以下四點(diǎn)：

(1)電源。AT89S51系列單片機(jī)的第40引腳為VCC，外加電壓5 V工作電壓，另外，單片機(jī)的第20引腳是GND，須連接到系統(tǒng)的地。

(2)復(fù)位電路。任何處理器都需要在上電時(shí)進(jìn)行自身的復(fù)位，51單片機(jī)也不例外，上電復(fù)位電路是較為簡單可靠的電路之一，不可缺少。復(fù)位電路如圖1所示,該圖為帶上電復(fù)位及手動復(fù)位兩種結(jié)合，二極管D1在系統(tǒng)瞬間掉電能幫助系統(tǒng)快速放電,使系統(tǒng)重新復(fù)位，以提高系統(tǒng)的可靠性。

(3)振蕩電路。如圖2所示，51單片機(jī)的第18腳和第19腳為兩個(gè)外接振蕩的引腳，是內(nèi)部振蕩方式的典型電路, 外接的33 pF電容可以提高振蕩的穩(wěn)定性。

(4)EA。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有4 KB的程序存儲器，不需要外部的ROM空間，如果不夠可以選擇AT89S52或其他內(nèi)部存儲器更大的單片機(jī)，所以接高電平，即：不使用外部ROM，只使用內(nèi)部的存儲器。

1.2 MCS51單片機(jī)系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)

MCS51單片機(jī)的存儲器分為片內(nèi)和片外兩個(gè)部分，即：內(nèi)部的ROM/RAM和外部的ROM/RAM，編寫程序時(shí)必須清楚每一個(gè)存儲單元的用途和功能，這樣才能更好地進(jìn)行系統(tǒng)存儲器資源的分配。51單片機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是外部的RAM空間和I/O空間共用外部的64 KB空間，因?yàn)橥獠靠偩€的地址線為16 bit，所以能夠訪問的最大地址空間為64 KB。51單片機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行外部擴(kuò)展時(shí)，所有外設(shè)的地址都分布在這64 KB的地址范圍內(nèi)，對于RAM來說，地址是連續(xù)的；而對于LCD、ADC等等部件，地址是不連續(xù)的。

1.3 51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

AT89S51單片機(jī)為用戶提供了可屏蔽中斷源有5個(gè)，分別是：外部中斷0(入口地址為：0003H)、外部中斷1(入口地址為：000BH)、定時(shí)器0(入口地址為：0013H)、定時(shí)器1(入口地址為：001BH)和串行中斷(入口地址為：0023H)；不可屏蔽中斷為復(fù)位(入口地址為：0000H)。51系列單片機(jī)的其他型號所提供的中斷個(gè)數(shù)不盡相同，所有的單片機(jī)都包括上述這6個(gè)最基本的中斷源，不同公司生產(chǎn)的51內(nèi)核單片機(jī)中斷源上有略微的區(qū)別。

1.4 51單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)

由于51單片機(jī)真正可以作為雙向I/O口應(yīng)用的只有P1口，假設(shè)系統(tǒng)需要擴(kuò)展外部的鍵盤，I/O就所剩無幾了。因此，MCS51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)都不可避免地需要進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展，而I/O的擴(kuò)展則是與系統(tǒng)總線緊密結(jié)合的。由于MCS51單片機(jī)的外部RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此，可以把單片機(jī)外部64 KB RAM空間的一部分作為擴(kuò)展外圍I/O口的地址空間。這樣，單片機(jī)系統(tǒng)就可以把額外的RAM空間用來進(jìn)行I/O空間的擴(kuò)展，使用總線方式對外設(shè)進(jìn)行訪問[1]。

本文重點(diǎn)之一是介紹采用具有三態(tài)緩沖的74HC244芯片和輸出帶鎖存的74HC573芯片來擴(kuò)展一個(gè)4×4的小鍵盤，緩沖器和鎖存器分別占用外部I/O空間中的兩個(gè)地址。而無論是訪問外部的RAM空間還是I/O空間，在進(jìn)行匯編語言編程時(shí)都是通過MOVX指令來實(shí)現(xiàn)讀寫的。在使用C語音進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，雖然語言改變了，但是C語言程序反匯編后，訪問外部仍然使用的是MOVX指令。因此，分析過程及使用中，都是以匯編語言為例進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)的。

2 MOVX指令的執(zhí)行過程

MOVX指令是51單片機(jī)訪問片外外設(shè)的唯一指令，與外部RAM或I/O空間進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫或者ADC和DAC等都需要使用這條指令。MCS51單片機(jī)外部RAM的地址空間為64 KB，地址總線為16 bit，訪問外設(shè)可執(zhí)行4條匯編指令：(1)MOVX A,@DPTR;(2)MOVX @DPTR, A;(3)MOVX A, @RI; (4)MOVX @RI, A。其中DPTR為16 bit地址寄存器，地址高8 bit存于DPH，地址低8 bit存于DPL，Ri(i=0,1)是8 bit寄存器，作為地址指針時(shí)僅存低8 bit地址。

MCS51執(zhí)行上述指令時(shí)分為兩個(gè)階段：首先，是從程序存儲器中取出指令代碼，并進(jìn)行譯碼；然后，執(zhí)行對外設(shè)數(shù)據(jù)的讀寫操作。在這兩個(gè)階段中，P0口在指令執(zhí)行過程中是分時(shí)復(fù)用口，指令前半個(gè)周期，低8 bit地址由地址鎖存允許信號ALE控制一個(gè)8 bit的鎖存器輸出，接著輸出8 bit數(shù)據(jù)至外部數(shù)據(jù)總線，P2口在此過程中一直輸出高8 bit地址。

由上所述，假設(shè)使用R0和R1對外設(shè)的進(jìn)行間接尋址方式的訪問，那么可看作是一種頁面尋址，將外部的64 KB空間分成了256頁，每一頁有256 B地址。寄存器P2的當(dāng)前值決定了當(dāng)前的頁地址。MCS51單片機(jī)在復(fù)位時(shí)，P2端口寄存器數(shù)值為FFH，若程序運(yùn)行中沒有改變P2中的值，則R0和R1只能對FF00H~FFFFH范圍的外部的間接尋址，即對第255個(gè)頁面進(jìn)行訪問。往外部空間寫1 B時(shí)序圖如圖3所示。

因此，使用DPTR作為數(shù)據(jù)指針或者是RI，都可以實(shí)現(xiàn)對外部64 KB空間的訪問。而指令都是使用MOVX，可見MCS51單片機(jī)系統(tǒng)中，MOVX指令有著非常重要的作用。

3 時(shí)序分析及系統(tǒng)擴(kuò)展

MCS51單片機(jī)的外部總線時(shí)序擴(kuò)展主要包括外部的譯碼電路、鎖存電路等組合邏輯電路，形成整個(gè)系統(tǒng)的外部總線，即：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。

譯碼電路采用常用的74系列3/8線譯碼器74LS138，該芯片的A、B、C分別接地址的最高3位，即A13、A14、A15，譯碼電路如圖4所示；138的使能端E3接高電平，E1和E2接的是EN_138，該信號是由單片機(jī)系統(tǒng)的讀寫信號經(jīng)過組合得來的，當(dāng)系統(tǒng)對外部的總線進(jìn)行讀寫時(shí),讀/寫信號其中一個(gè)為低電平，使得EN_138控制信號輸出為一個(gè)低電平脈沖信號，此時(shí)，3/8線譯碼器的輸出Y0~Y7其中一個(gè)也會輸出一個(gè)低電平脈沖，用此脈沖就可以有效地對外部設(shè)備進(jìn)行片選。邏輯電路如圖5所示。

通過這樣的組合后就可以在總線上數(shù)據(jù)有效的時(shí)間內(nèi)，通過74LS138的Y0~Y7控制外設(shè)的片選，實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)讀寫。尤其是在擴(kuò)展外部I/O口使用的74系列的邏輯電路芯片時(shí)，這個(gè)方法尤為重要，因?yàn)檫@類芯片沒有外部的讀/寫信號，只能通過單片機(jī)外部的組合邏輯電路輸出一個(gè)讀/寫信號寬度的脈沖用以控制此類I/O芯片。若外設(shè)信號控制信號為低電平脈沖,則剛好與3/8線譯碼器的輸出匹配，此時(shí)直接相連即可；若外設(shè)控制信號需要的是高脈沖信號，則必須在3/8線譯碼器的輸出外面再加一級反相器電路，常用的反相器為74LS04。

以寫數(shù)據(jù)往外設(shè)為例，得到的時(shí)序流程如圖6所示。讀數(shù)據(jù)的時(shí)序與寫數(shù)據(jù)一致，只是將寫信號換成讀信號。

4 I/O擴(kuò)展實(shí)例

4.1 行列鍵盤擴(kuò)展

如前所述，51單片機(jī)供用戶使用的I/O只有P1端口的8個(gè)引腳，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需求，這樣就必須通過總線的方法進(jìn)行外部I/O擴(kuò)展。在這里需要注意的是，51單片機(jī)系統(tǒng)外部I/O空間是和外部的RAM空間共用外部64 KB空間的。使用74LS573和74LS244分別進(jìn)行行列的擴(kuò)展,其中573鎖存行信號，244讀回?cái)?shù)據(jù)，擴(kuò)展了端口，實(shí)現(xiàn)了4×4的矩陣式行列掃描鍵盤，如圖7所示。在此程序略，主要介紹擴(kuò)展的方法。

圖8所示為4×4矩陣鍵盤連接圖。

4.2 大于64 KB空間的擴(kuò)展

MCS51單片機(jī)是8位的微控制器，外部地址總線共16 bit地址，能訪問的空間共為64 KB,但是如果系統(tǒng)中所有的外設(shè)加起來需要的地址空間超過64 KB時(shí)(如128 KB、256 KB的RAM或者需要更多的I/O空間等情況出現(xiàn))就需要使用P1口或者是P3口不使用的I/O口進(jìn)行線選法譯碼或者譯碼法進(jìn)行額外的擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)。

這種情況在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常會遇到，本文中介紹一種基于分頁原理的擴(kuò)展方法。51單片機(jī)系統(tǒng)雖然只有16條地址總線,在系統(tǒng)需要較大的RAM或I/O空間時(shí)，可以將系統(tǒng)中空余的I/O口作為額外的外部地址使用，例如：使用P1.0時(shí)進(jìn)行線選法譯碼時(shí)，就可以擴(kuò)展外部的128 KB空間。當(dāng)P1.0為低電平時(shí)，選擇第1個(gè)64 KB空間；當(dāng)P1.0為高電平時(shí), 選擇第2個(gè)64 KB空間。

以此類推，假設(shè)有更多的空間需求時(shí)，還可使用專用譯碼器進(jìn)行譯碼，來進(jìn)行更多的選擇
編輯：hfy