1、 單片機原理(yunl)及應用 （第6章）共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展 當單片機最小系統不能滿足需求時，要進行系統擴展。單片機系統擴展主要指外接數據存儲器、程序存儲器、中斷系統和I/O口擴展等。 擴展方法有并行擴展和串行擴展法兩種 并行擴展法是利用單片機三總線 (AB、DB、CB) 的系統擴展，數據傳輸為并行傳送方式，特點是速度快，相對成本高 串行擴展主要是利用串行總線進行數據的發送(f sn)和接收，數據傳輸為串行傳送方式，可構成分布式多級應用系統共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.1 概述 系統擴展:系統擴展指單片機內部功能部件不能滿足應用系統，在片

2、外連接相應的外圍芯片，對單片機的功能進行擴展。 擴展芯片:大多數是常規芯片，擴展電路比較典型、規范，基本上是固定電路 常見的擴展:程序(chngx)存儲器、數據存儲器、I/O口、中斷系統以及其他特殊功能總線指連接系統中各擴展部件的一組公共信號線。復用指既可作地址線，又可作數據線。 復用技術：增加一個8位鎖存器，通過對鎖存器的控制實現對地址和數據的分離。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.2 簡單I/O口擴展6.2.1 I/O 接口電路的功能（1）I/O接口功能 速度協調。 數據鎖存、隔離。（2）擴展并行(bngxng) I/O 接口的方法 常用并口擴展方法有三種：簡單I/O接

3、口擴展電路、利用單片機串口擴展和利用可編程并行接口芯片擴展。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.2.2利用(lyng)TTL、CMOS集成電路擴展簡單I/O口1. 簡單輸入接口擴展（1）典型芯片 （2）擴展方法共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展2. 簡單輸出接口的擴展（1）典型(dinxng)芯片 （2）擴展方法共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展3.同時(tngsh)擴展輸入與輸出接口共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.2.3用串行口擴展并行I/O接口 單片機不與其他設備進行串行通信時，可用串行接口來擴展并行I/O口，將串口設

4、定為方式0，工作在移位寄存器的輸入/輸出方式。可外接移位寄存器（如CD4094、74LS164、CD4014或74LS165）等芯片(xn pin)來擴展I/O接口。8位串行數據從RXD輸入或輸出（即輸入輸出公用RXD接口），TXD作為同步脈沖。CPU將數據寫入發送寄存器時，立即啟動發送，將8位數據以fosc/12的固定波特率從RXD輸出，低位在前，高位在后。發送完一幀數據后，中斷標志位TI由硬件自動置位。6.3 可編程并行接口芯片擴展并行I/O口 6.3.1 8255A的內部結構及引腳說明共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展(1)內部(nib)邏輯結構共四十四頁第6章 C51單

5、片機系統(xtng)擴展8255A 引腳圖共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展(2) 外部引腳8255A有40個引腳，采用雙列直插封裝，單一的+5 V電源，注意它的+5V電源引腳是第26腳，地線引腳是第7腳，不像大多數TTL芯片電源和地線在右上角和左下角的位置。 與CPU連接的引腳數據線D0D7：三態雙向數據線，用來傳送數據信息。地址線A0、A1: 端口選擇信號。8255A 內部有 3 個數據端口和 1 個控制端口，由 A1、A0 編程選擇。對它們的訪問只需要使用(shyng)A0和A1即可實現編址，如表6.2所示。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展 ：片選信號，

6、低電平有效。 、 ：讀、寫控制讀信號線，低電平有效，用于控制從8255A端口寄存器讀出/寫入信息。A1、A0和、及CS組合所實現的各種功能如表6.3所示。 和外設端相連的引腳PA7PA0：A口的8根輸入/輸出信號線，用于與外設連接。PB7PB0：B口的8根輸入/輸出信號線，用于與外設連接。 PC7PC0：C口的8根輸入/輸出信號線，用于與外設連接。既可作為輸入/輸出口，還可以傳送(chun sn)控制和狀態信號，作為PA和PB的聯絡信號。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.3.2 8255A的命令(mng lng)/狀態寄存器共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展

7、2）C端口置位/復位(f wi)（置1/置0 ）控制字共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.3.3 8255A工作方式8255A有3種工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0：基本輸入輸出方式，適用于無條件傳送和查詢方式的接口電路；方式1：選通輸入輸出方式，適用于查詢和中斷方式的接口電路；方式2：雙向選通傳送方式，適用于與雙向傳送數據的外設，或查詢和中斷方式的接口電路。6.3.4 8255A的初始化編程 8255A占4個地址，即A口、B口、C口和控制寄存器各占一個(y )，對同一個(y )地址分別可進行讀寫操作。初始化有兩個控制命令字：方式選擇控制字和C口按位置/復位控制字，共

8、四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展都寫入8255A的最后一個地址，即A1A0=11時，相應的端口中。如：8255A的四個端口地址為80H83H，則控制字應寫入83H中。初始化編程時應注意以下幾點：方式命令是對8255A的3個端口的工作方式及功能(gngnng)指定進行初始化，要在使用8255A之前。按位置位/復位命令只是對PC口的輸出進行控制，使用它不破壞已經建立的3種工作方式，放在初始化程序后。兩個命令的最高位（D7）都是特征位，之所以要設置特征位，是為了識別兩個命令。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.3.5 8255A與單片機連接(linji)共四十四頁第

9、6章 C51單片機系統(xtng)擴展（1）硬件連接。8255A與C51單片機的連接包含數據線、地址線、控制線的連接。如圖6-17為8255A擴展實例。數據線：8255A的8根數據線D0D7直接與P0口依次對應連接。 控制線：8255A的復位線RESET與89C51的復位端相連，都接到89C51的復位電路上，保證89C51對8255A的初始化在8255A復位以后。8255A的 WR和RD與89C51的WR和RD對應相連 地址線：因8255A的8位地址線和數據線復用，且內部沒有鎖存器，故89C51的AD0AD7須經鎖存器鎖存地址信息后與8255A的A1和A0地址線對應連接，而89C51的地址鎖存

10、允許(ynx)信號ALE則與鎖存器的使能端相連。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.4 I2C總線擴展6.4.1 I2C總線概述采用I2C總線設計系統具有如下的優點：(1)總線驅動能力強。I2C總線外圍擴展器件都使CMOS型，功率極低，因而總線上擴展的節點數不由電流負載能力決定，而由電容負載確定。 (2)任何一個I2C總線接口的外圍器件，不論其功能差別有多大，都是通過串行數據線SDA和串行時鐘線SCL連接到I2C總線上。用戶不必理解每個I2C總線接口器件的功能如何，只要將器件的SDA和SCL連接到I2C總線，然后對該器件模塊進行獨立的電路設計，從而簡化(jinhu)了系統設計

11、的復雜性，提高系統的抗干擾能力，符合EMC(E1ectro Magnetic Compatibility)設計原則。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展(3)在單主系統中，每個I2C總線接口芯片具有唯一的器件地址，各器件間互不干擾，相互之間不能通信，MCU和I2C器件間的通信是通過獨一無二的器件地址實現。 (4)PHILIPS公司在推出I2C總線的同時制定了嚴格的規范(gufn),如接口的電器特征、型號時序、信號傳送的定義等，決定了I2C總線軟件編寫的一致性。6.4.2 I2C總線的電氣連接 I2C總線采用二線制傳輸，一根是數據線SDA（Serial Data Line），另一根

12、是時鐘線SCL（Serial Clock Line），所有I2C器件都連接在SDA和SCL上， I2C總線支持多主和主從兩種工作方式。一般I2C總線工作在主從工作方式，只有一個主器件，其它均為從器件，主器件對總線有控制權。在多主方式中，通過硬件和軟件仲裁，主控制器取得總線控制權。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.4.3 I2C總線的尋址方式(1)數據幀格式D7D4(DA3DA0)：固定位，由生產廠家給出，用戶不能改變。D3D1(A2A0)：可編程位，與器件(qjin)的地址管腳的連接相對應，當系統中使用了多個相同芯片時可進行

13、正確訪問。引腳(A1，A0)和器件(qjin)在電路中的實際接法有關(地址線、電源和地)，形成地址數據。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展(2)尋址字節中的特殊地址地 址 位 R/W 意 義0 0 0 00 0 00通用呼叫地址0 0 0 00 0 01起始字節0 0 0 00 0 1CBUS地址0 0 0 00 1 0為不同總線(zn xin)的保留地址0 0 0 00 1 1保留0 0 0 01 1 1 1 11 1 1 1 10 十位從機地址共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展（3）總線尋址I2C總線協議有明確的規定：采用7位的尋址字節（尋址字節是起始信號后

14、的第一個字節）。主機發送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據位將自己確定為發送器或接收器。從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(xtng)中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數目。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.4.4 I2C總線(zn xin)的信息傳輸（1）I2C總線信號定義共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展I2C總線(zn xin)的起停信號共四十四頁

15、第6章 C51單片機系統(xtng)擴展I2C總線的數據(shj)傳送時序共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展I2C總線(zn xin)的應答位共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展主控制器寫操作(cozu)格式示意圖主控制器寫操作具體內容共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展主控制器讀操作(cozu)格式示意圖主控制器寫操作具體內容共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展主控制器先寫后讀操作(cozu)格式示意圖主控制器先寫后讀操作具體內容共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.4.5 C51單片機與I2C總線的接口1.內部無I2

16、C總線的數據傳送模擬驅動程序 主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機，使用單片機I/O口模擬I2C總線，利用軟件實現I2C總線的數據傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬。 起始信號子函數用于開始I2C總線通信。其中，起始信號是在時鐘(shzhng)線SCL為高電平期間，數據線SDA上高電平向低電平變化的下降沿信號。起始信號出現以后，才可以進行后續的I2C總線尋址或數據傳輸等。 應答信號子函數用于表明I2C總線數據傳輸的結束。I2C總線數據傳送時，一個字節數據傳送完畢后都必須由主器件 產生應答信號。主器件在第9個時鐘位上釋放數據總線SDA，使其處于高電平狀態，此時從器件輸出低電平拉低數據總線SDA為

17、應答信號。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展 非應答信號子函數用于數據傳輸出現異常而無法(wf)完成時。在一個字節數據傳送完畢后，在第9個時鐘位上從器件輸出高電平為非應答信號 硬件連接非常簡單，只需要2個I/O口，在軟件中分別定義成SCL和SDA，直接相連，再加上上拉電阻即可，硬件接口如圖6-30所示。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展以MCS-51單片機為例，采用C51編寫(binxi)通用通用I2C總線模擬驅動程序。用P1.6和P1.7直接與SCL和SDA相連，用戶可以定義其他I/O口引腳為SCL和SDL信號，程序中包括I2C功能函數。 I_init()：初

18、始化。delay()：延時。I_clock()：SCL時鐘信號。I_start()：起始信號。I_stop()：結束信號。I_send()：數據發送。I_Ack()：應答信號。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展2. I2C總線存儲器的擴展 目前(mqin)有很多半導體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。 24C04引腳圖 8051與24C04接口共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.5 SPI總線接口（1）SPI總線接口

19、特性(txng)首先，輸入芯片的串行數據輸出是否有三態控制端。未選中芯片時，輸出端應處于高阻態。若沒有三態控制端，則應外加三態門。否則MCU的MISO端只能連接1個輸入芯片。 其次，輸出芯片的串行數據輸入是否有允許控制端。因為只有在此芯片允許時，SCK脈沖才把串行數據移入該芯片；在禁止時，SCK對芯片無影響。若沒有允許控制端，則應在外圍用門電路對SCK進行控制， 然后再加到芯片的時鐘輸入端；當然，也可只在SPI總線上連接1個芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展（2）SPI總線的數據傳輸 SPI是一個環形總線結構，其時序主要是在SCK的控制下，兩

20、個雙向移位寄存器進行數據交換。其中CS是控制芯片是否被選中，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接(linji)多個SPI設備成為可能。 在SPI方式下數據是一位一位的傳輸。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過SDO線，數據在時鐘上沿或下沿時改變，在緊接著的下沿或上沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可完成8位數據的傳輸。 共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展6.6 C51單片機

21、的存儲器擴展6.6.1 C51單片機的存儲器系統(xtng) （1）選擇合適類型的存儲器芯片（2）工作速度匹配（3）選擇合適的存儲容量（4）合理分配存儲器地址空間的分配（5）合理選擇地址譯碼方式6.6.2 C51單片機存儲器擴展的一般方法1）單片機總線結構：控制線、數據線、地址線共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展2）編址方法系統空間分配：通過適當的地址線產生各外部擴展器件的片選/使能等信號就是系統空間分配。 編址：就是利用系統提供的地址總線，通過適當的連接，實現一個編址惟一地對應系統中的一個外圍(wiwi) 芯片的過程。編址就是研究系統地址空間的分配問題。片內尋址：若某芯片內部

22、有多個可尋址單元，則稱為片內尋址。編址的方法：芯片的選擇是由系統的高位地址線通過譯碼實現的，片內尋址直接由系統低位地址信息確定。 共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展（1）存儲芯片的位擴充芯片(xn pin)的地址線全部并接且與地址總線相應連接；片選信號線并接，連接到地址譯碼器的輸出端；讀寫控制信號并接，連接到控制總線的存儲器讀寫控制線上；不同芯片的數據線連接到數據總線不同位上。（2）存儲芯片的字擴充 存儲器芯片數據線的連接。數據線的數目由芯片的字長決定。 存儲器芯片地址線的連接。地址線的數目由芯片的容量決定。共四十四頁第6章 C51單片機系統(xtng)擴展 存儲器芯片片選信號的連接。存儲器芯片有一根或幾根片選信號線存儲器芯片地址(dzh)線的連接。存儲器芯片的地址(dzh)線與單片機的地址(dzh)總線(A0A15)按由低位到高位的順序順次相接。 全譯碼：所謂全譯碼就是存儲器芯片的地址線與單片機系統的地址線