詳解單片機(jī)擴(kuò)展技術(shù)

單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器和I/o口資源有限，多數(shù)情況下需要外部擴(kuò)展。

一、擴(kuò)展方法和內(nèi)容

二、總線介紹

單片機(jī)并行擴(kuò)展的典型結(jié)構(gòu)是總線結(jié)構(gòu)。

各擴(kuò)展部件通過(guò)總線與單片機(jī)連接起來(lái)，相當(dāng)于系統(tǒng)中各部件掛在總線上，分時(shí)利用總線與CPU通訊。

當(dāng)選中某部件時(shí)，可對(duì)該部件進(jìn)行讀寫(xiě)及控制，而其它部件與總線間處于“高阻態(tài)”，相當(dāng)于與總線斷開(kāi)。

單片機(jī)系統(tǒng)的三總線構(gòu)造方法如下：

以P0口線作數(shù)據(jù)總線/低位地址總線4以P2口線作高位地址總線；

采用功能引腳形成控制總線。

以P0口線作數(shù)據(jù)總線/低位地址總線：先由P0口線作地址總線，把低8位地址送鎖存器，由鎖存器提供給系統(tǒng)；然后再將P0口線作數(shù)據(jù)總線讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)地址總線的低8位地址信號(hào)和數(shù)據(jù)總線共用P0口線而不產(chǎn)生沖突。

以P2口線作高位地址總線：P2口線最多可提供8位高位地址，加上P0口線提供的低8位地址，最多可提供16位地址，可使單片機(jī)系統(tǒng)的尋址范圍最大達(dá)到64KB。

采用功能引腳形成控制總線：由 RD（P3.6引腳）和 WR（P3.7引腳）作為讀寫(xiě)選通信號(hào)線；由ALE作為地址鎖存信號(hào)線，以配合P0口實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用；PSEN以作為片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)線；以EA作為片內(nèi)和片外程序存儲(chǔ)器的選擇信號(hào)。

存儲(chǔ)器的基本操作控制，包括片選控制和讀寫(xiě)操作控制。

線選法：地位地址線（A0~A10）實(shí)現(xiàn)片內(nèi)尋址，高位地址線線（A11~A13）實(shí)現(xiàn)片選。線選法連線簡(jiǎn)單，但地址空間不連續(xù)，適用于擴(kuò)展容量較小且芯片數(shù)目較少的情況。

譯碼法：通過(guò)譯碼器將高位地址線轉(zhuǎn)換為片選信號(hào)。譯碼法能有效利用存儲(chǔ)空間，且地址連續(xù)，適用于多芯片下的擴(kuò)展。常用譯碼器芯片有74138等。

三、儲(chǔ)存擴(kuò)展

地址線：地址是由P0和P2口提供的。ROM的地址線(A0～A15)中，低8位A0～A7通過(guò)鎖存器74LS373與P0口連接，高8位A8～A11直接與P2口的P2.0～P2.7連接。

數(shù)據(jù)線：片外ROM的8位數(shù)據(jù)線直接與單片機(jī)的P0口相連。

控制線：CPU執(zhí)行ROM中存放的程序指令時(shí)，取指階段就是對(duì)ROM進(jìn)行讀操作。讀操作控制線有以下幾條：

地址鎖存信號(hào)ALE、片選信號(hào)CS、讀選通信號(hào)OE、片外程序存儲(chǔ)器的選用控制信號(hào)EA

地址鎖存信號(hào)ALE：單片機(jī)的ALE管腳與鎖存器的鎖存使能端G相連，用于單片機(jī)從片外ROM在讀指令時(shí)給出低8位地址的鎖存信號(hào)。

片選信號(hào)CS：低電平有效。如果系統(tǒng)中只擴(kuò)展了一片程序存儲(chǔ)器芯片，可將該片選端直接接地，使該芯片一直有效。若同時(shí)擴(kuò)展多片，需通過(guò)線選法或譯碼法來(lái)完成片選工作。

讀選通信號(hào)OE：低電平有效。該引腳接8051的片外ROM讀選通信號(hào)端PSEN。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，只要該端出現(xiàn)負(fù)脈沖，即可從ROM中讀出指令或數(shù)據(jù)。

片外程序存儲(chǔ)器的選用控制信號(hào)EA：當(dāng)EA引腳接高電平時(shí)，CPU只訪問(wèn)單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令，但當(dāng)程序存儲(chǔ)量超過(guò)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的最大容量時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)輸入信號(hào)引腳接低電平(接地)時(shí)，CPU只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令。

在執(zhí)行片外ROM讀指令時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行的操作時(shí)序：

（1）首先由PO口和P2口給出16位地址，然后ALE出現(xiàn)下降沿通知鎖存器將P0口的低8位地址鎖存；

（2）PSEN出現(xiàn)低電平，使片外ROM有效；

（3）根據(jù)鎖存器和P2口提供的地址取出指令并送P0口，由P0口讀入單片機(jī)執(zhí)行。

在上述過(guò)程中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM讀寫(xiě)信號(hào)端WR和RD一直處于高電平狀態(tài)，使RAM與總線隔離。

四、控制程序

根據(jù)下圖電路編寫(xiě)程序用數(shù)碼管顯示0-9共10個(gè)數(shù)字循環(huán)顯示。

?

#include 
unsigned char led[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//字型碼?


int main(void)
{
    unsigned char i;
    while(1)
  {
      for(i=0;i<10;i++)//循環(huán)顯示10個(gè)數(shù)字
          {
               P1=led[i];
                   delay();//延時(shí)一段時(shí)間
                 }
  }
}


void delay()//延時(shí)函數(shù)
{
     int i,j;
      for(i=0;i<3000;i++)
    for(j=0;j<5;j++);
}

?

五、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存擴(kuò)展

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的擴(kuò)展主要用到以下3個(gè)控制信號(hào)：

ALE：低8位地址鎖存控制信號(hào)，通常接地址鎖存器的LE引腳；

WR：外部RAM寫(xiě)信號(hào)，低電平有效，接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的WE引腳；

RD：外部RAM讀信號(hào)，低電平有效，接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的OE引腳。

在執(zhí)行片外RAM讀寫(xiě)指令時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行的操作時(shí)序與讀ROM相似：

（1）首先由PO口和P2口給出16位地址，然后ALE出現(xiàn)下降沿將P0口的低8位地址鎖存；

（2）在讀數(shù)據(jù)時(shí)，RD出現(xiàn)低電平，WR出現(xiàn)高電平，使讀片外RAM有效，并根據(jù)鎖存器和P2口提供的地址取出數(shù)據(jù)并送P0口，由P0口讀入單片機(jī)。

（3）在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)首先將數(shù)據(jù)加載到P0口，然后RD引腳出現(xiàn)高電平，WR引腳出現(xiàn)低電平，使寫(xiě)片外RAM有效，并根據(jù)鎖存器和P2口提供的地址將P0口上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入片外RAM。

六、程序舉例

根據(jù)圖8-4編寫(xiě)程序?qū)?a target="_blank">數(shù)碼管顯示0-9共10個(gè)數(shù)字的字型碼存儲(chǔ)到6264中，然后從6264中循環(huán)讀出字型碼并送數(shù)碼管顯示。

#include 
#include  
unsigned char led[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//字型碼


int main(void)
{
    unsigned char i;
    for(i=0;i<10;i++)//存儲(chǔ)10個(gè)數(shù)字字型碼
  XBYTE[0x8000+i]=led[i];  
  while(1)
  {
      for(i=0;i<10;i++)//循環(huán)顯示10個(gè)數(shù)字
       {
           P1=XBYTE[0x8000+i];
           delay();//延時(shí)一段時(shí)間
      }
  }    
}
void delay()//延時(shí)函數(shù)
{
     int i,j;
      for(i=0;i<30000;i++)
    for(j=0;j<5;j++);
}

?

對(duì)輸入/輸出口功能的擴(kuò)展，可以利用簡(jiǎn)單的TTL電路或MOS電路，也可以使用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的可編程接口芯片。

MCS-51單片機(jī)將I/O口與片外RAM統(tǒng)一編址，兩者合在一起使用同一個(gè)64KB的外擴(kuò)展地址空間，因而，I/O口的輸入、輸出指令也就是片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)指令。

簡(jiǎn)單輸入擴(kuò)展主要采用三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器實(shí)現(xiàn)，目的是使被選通的輸入設(shè)備能獨(dú)占數(shù)據(jù)總線向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，而未被選通的設(shè)備與數(shù)據(jù)總線隔離。常用的三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器芯片有74LS244等。

簡(jiǎn)單輸出擴(kuò)展主要采用三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器實(shí)現(xiàn)，目的是使單片機(jī)能通過(guò)數(shù)據(jù)總線向被選通的設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，而未被選通的設(shè)備與數(shù)據(jù)總線隔離。常用的三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器芯片有74LS273等。

8051單片機(jī)使用74LS373和74LS245展I/O口，分別連接發(fā)光二極管和撥碼開(kāi)關(guān)，要求編寫(xiě)控制程序，通過(guò)開(kāi)關(guān)的撥動(dòng)控制發(fā)光二極管的亮滅。

#include 
#include      
#define PORT XBYTE[0xFFFF] //地址寫(xiě)什么都可以
int main(void)
{
    unsigned char temp;
    while(1)
    {
      temp=PORT; //讀存儲(chǔ)單元操作，即通過(guò)74LS245獲取開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)
      PORT=temp; //寫(xiě)存儲(chǔ)單元操作，即通過(guò)74LS373用開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)控制發(fā)光二極管
    }
}