单片机的扩展结构

本文介绍: 单片机的扩展结构三种总线的构造方式地址空间分配和外部地址锁存器1.存储器地址空间分配(1)74LS138(2)74LS1392.外部地址锁存器(1)锁存器74LS373静态数据存储器RAM的并行扩展(1)常用的静态RAM (SRAM)芯片(2)外扩数据存储器的读写操作时序1.读片外RAM操作时序2.写片外RAM操作时序(3)AT89S52单片机与RAM的接口设计与软件编程E2PROMA的并行扩展1.读方式2.写方式(1)页写入(2)字节写

三种总线的构造方式

(3)AT89S52单片机与RAM的接口设计与软件编程

AT89S52单片机采用总线结构，使扩展易于实现，AT89S52单片机系统扩展结构如图所示:

(1)地址总线(Address Bus，AB):用于传送单片机发出的地址信号，以便进行存储单元和I/O接口芯片中的寄存器单元的选择。
(2)数据总线(Data Bus，DB):用于单片机与外部存储器之间或与I/0接口之间传送数据，数据总线是双向的。
(3) 控制总线(Control Bus，CB):控制总线是单片机发出的各种控制信号线。

三种总线的构造方式

1.P0口作为低8位地址/数据总线
AT89S51受引脚数目限制，P0口既用作低8位地址总线，又用作数据总线(分时复用)，因此需增加一个8位地址锁存器。AT89S51访问外部扩展的存储器单元或1/O接口寄存器时，先发出低8位地址送地址锁存器锁存，锁存器输出作为系统的低8位地址 (A7~ A0)。随后，PO口又作为数据总线口 (D7~ D0) ，如图所示

2.P2口的口线作为高位地址线
P2口用作系统的高8位地址线，再加上地址锁存器提供的低8位地址便形成了系统完整的16位地址总线。

3.控制信号线

除地址线和数据线外，还要有系统的控制总线。这些信号有的就是单片机引脚的第一功能信号，有的则是P3口第二功能信号。包括:
(1) PSEN*作为外扩程序存储器的读选通控制信号

(2) RD*和WR*为外扩数据存储器和I/O的读、写选通控制信号

(3)ALE作为P0口发出的低8位地址锁存控制信号

(4)EA*为片内、片外程序存储器的选择控制信号
可见，AT89S52的4个并行I/O口，由于系统扩展的需要，真正作为数字I/O用，就剩下P1和P3的部分口线。

寻址结构图如下

地址空间分配和外部地址锁存器

1.存储器地址空间分配

实际系统设计中，既需要扩展程序存储器，又需要扩展数据存储器如何把片外的两个64KB地址空间分配给各个程序存储器、数据存储器芯片，使一个存储单元只对应一个地址，避免单片机发出一个地址时同时访问两个单元，发生数据冲突。存储器地址空间分配：

AT89S52单片机发出的地址码用于选择某个存储器单元，外扩多片存储器芯片中，单片机必须进行两种选择:

一是选中该存储器芯片，这称为“片选”，未被选中的芯片不能被访问。

二是在“片选”的基础上再根据单片机发出的地址码来对“选中”芯片的某一单元进行访问，即“单元选择”
通常把单片机系统的地址线笼统地分为低位地址线和高位地址线，“片选”都是使用高位地址线。实际上，16条地址线中的高、低位地址线的数目并不是固定的，只是习惯上把用于“单元选择”的地址线，都称为低位地址线，其余的为高位地址线。

常用的存储器地址空间分配方法有两种:线性选择法(简称线选法)和地址译码法(简称译码法)
译码法
使用译码器对AT89S51单片机的高位地址进行译码，译码输出作为存储器芯片的片选信号。这种方法能够有效地利用存储器空间，适用于多芯片的存储器扩展。常用的译码器芯片有74LS138 (3线-8线译码器)74LS139 (双2线-4线译码器) 和74LS154 (4线-16线译码器)

(1)74LS138

3线-8线译码器，有3个数据输入端，经译码产生8种状态。引脚如图所示:

真值表:

由表可见，当译码器的输入为某一固定编码时，其输出仅有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。输出为低电平的引脚就作为某一存储器芯片的片选信号。

(2)74LS139

双2线-4线译码器。这两个译码器完全独立，分别有各自的数据输入端、译码状态输出端以及数据输入允许端，其引脚如图所示。

真值表见表（只给出其中一组)

以74LS138为例，如何进行地址分配:
例如，要扩8片8KB的RAM 6264，如何通过74LS138把64KB空间分配给各个芯片?

由74LS138真值表可知，把G1接到+5V，G2A*、G2B*接地，P2.7、P2.6、P2.5 (高3位地址线) 分别接74LS138的C、B、A端由于对高3位地址译码，这样译码器有8个输出Y7*~ Y0*，分别接到8片6264的各“片选”端，实现8选1的片选。
低13位地址 (P2.4~ P2.0，P0.7~ P0.0) 完成对选中的6264芯片中的各个存储单元的“单元选择”这样就把64KB存储器空间分成8个8KB空间了。

这里采用全地址译码方式。因此，AT89S51发出16位地址时，每次只能选中某一芯片及该芯片的一个存储单元

这里选择第0个芯片，即高地址位为（0，0，0），这个对应的是片选芯片，低地址位有13位，这些对应了8K的存储单元

如何用74LS138把64KB空间全部划分为4KB的块呢?

4KB空间需12条地址线，而译码器输入只有3条地址线 (P2.6 ~ P2.4) ，P2.7没有参加译码，P2.7发出的0或1决定选择64KB存储器空间的前32KB还是后32KB，由于P2.7没有参加译码，就不是全译码方式，前后两个32KB空间就重叠了。那么，这32KB空间利用74LS138译码器可划分为8个4KB空间。
如果把P2.7通过一个非门与74LS138译码器G1端连接起来，如图所示，就不会发生两个32KB空间重叠的问题了。这时，选中的是64KB空间的前32KB空间，地址范围为0000H~7FFFH（低32KB空间）

前32K的地址空间

后32K的地址空间

2.外部地址锁存器

受引脚数的限制，PO口兼用数据线和低8位地址线，为了将它们分离出来，需在单片机外部增加地址锁存器。目前，常用的地址锁存器芯片有74LS373、74LS573等

(1)锁存器74LS373

是一种带三态门的8D锁存器，其引脚如图所示:

内部结构如图所示:

低8位的地址信息存储在锁存器中，与高八位地址信息共同发出16位地址信息，低8位地址信息，存储在锁存器中后，P0空闲下来，则可用来传输数据信息。

AT89S51与74LS373锁存器的连接如图8-9所示

静态数据存储器RAM的并行扩展

AT89S52单片机片内有256B RAM，往往不能满足实际需要，必须片外扩展数据存储器。数据存储器分为动态数据存储器与静态数据存储器。在单片机应用系统中，如果外部扩展动态数据存储器，还需要有对应的刷新电路，所以，在单片机的外部扩展的数据存储器都采用静态数据存储器(SRAM)

对外部扩展的数据存储器空间访问，P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和8位双向数据总线。片外数据存储器RAM的读和写由单片机的RD*(P3.7) 和WR* (P3.6) 信号控制。

(1)常用的静态RAM (SRAM)芯片

单片机系统中常用的RAM芯片的典型型号有6116 (2KB)，6264(8KB) ，62128 (16KB) ，62256 (32KB)

各引脚功能：

A0~A14:地址输入线
D0~D7:双向三态数据线
CE*:片选信号输入线。对6264芯片，当24脚 (CS)为高电平，且CE*为低电平时才选中该片
OE*:读选通信号输入线，低电平有效
WE*:写允许信号输入线，低电平有效
VCC一工作电源+5V。
GND 一地
RAM存储器有读出、写入、维持3种工作方式：

(2)外扩数据存储器的读写操作时序

对片外RAM读和写两种操作时序的基本过程相同

1.读片外RAM操作时序

若外扩—片RAM，应将WR*脚与RAM的WE*脚连接，RD*脚与芯片OE*脚连接

2.写片外RAM操作时序

“MOVX @DPTR，A”指令。指向片外RAM写数据，单片机执行令执行后，单片机的WR*信号为低有效，此信号使RAM的WE* 端被选通。

开始的过程与读过程类似，但写的过程是CPU主动把数据送上P0口总线，故在时序上，CPU先向P0口总线上送完8位地址后，在S3状态就将数据送到P0口总线 (③处) 。此间，P0总线上不会出现高阻悬浮现象。

(3)AT89S52单片机与RAM的接口设计与软件 编程

AT89S52对片外RAM的读和写由单片机的RD*(P3.7)和WR(P3.6) 控制，片选端由译码器译码输出控制。因此设计时，主要解决地址分配、数据线和控制信号线的连接问题。在与高速单片机连接时，还要根据时序解决读/写速度匹配问题。
图为用线选法扩展AT89S51外部数据存储器电路。图中数据存储器选用6264，该芯片地址线为A0~A12，故单片机剩余地址线为3条。

用线选可扩展3片6264

用译码法扩展外部数据存储器的接口电路如图所示

数据存储器62128，芯片地址线为A0~A13，剩余地址线为两条，若采用2线-4线译码器可扩展4片62128。各片62128芯片地址分配如表所示：

[例8-1]编写程序将片外数据存储器中5000H~50FFH单全部清“0”。

方法1：用DPTR作为数据区地址指针，同时使用字节计数器。

方法2：用DPTR作为数据区地址指针，但不使用字节计数器，而是比较特征地址。

单片机片外数据区读/写数据过程

当程序运行中，执行“MOV”类指令时，表示与片内RAM交换数据:当遇到“MOVX”类指令时，表示对片外数据存储器区寻址片外数据存储器区只能间接寻址。

例如，把片外6000H单元的数据送到片内RAM 50H单元中。

向片外数据区写数据的过程与读数据的过程类似例如，把片内50H单元的数据送到片外4000H单元中。

片外存储器只能间接寻址：

单片机读写片外数据存储器中内容，除了用“MOVXA@DPTR”和“MOVX @DPTR，A”外，还可用指令“MOVXA，@Ri”和“MOVX @Ri，A”。这时P0口装入Ri中内容 (低8位地址)，而把P2口原有的内容作为高8位地址输出。

[例8-4]编程，将程序存储器中以TAB为首址的32个单元内容依次传送到外部RAM以4000H为首址的区域。

DPTR指向标号TAB首地址。RO既指示外部RAM的地址，又表示数据标号TAB的位移量。程序为一循环程序，循环次数为32，R0的值达到32就结束循环。

E2PROMA的并行扩展

在以单片机为核心的智能仪器仪表、工业监控等应用系统中，某些动态测试数据以及某些状态参数数据，不仅要求能够在线修改保存而且断电后能保持。断电后的数据的保护可采用电可擦除写入的存储器E2PROM，其突出优点是能够在线擦除和改写。
E2PROM有并行和串行之分，并行的速度比串行的快，容量大。例如并行的E2PROM2864A的容量为8kx8位。而串行12C接口的E2PROM与单片机的接口简单，比较流行的是ATMEL公司的串行芯片AT24C02/AT24C08/AT24C16等。

常见的并行芯片有2816/2816A，2817/2817A，2864A等。

引脚如图所示：

其主要性能见表(表中芯片均为Intel 公司产品)：

2816、2817和2864A的读出数据时间均为250ns，写入时间10ms。

下面对E2PROM2864A的4种工作方式说明：

1.读方式

当CE*和OE*均为低而WE*为高时，内部的数据缓冲器被打开数据送上总线，此时可进行读操作。

2.写方式

2864A提供两种数据写入方式:页写入和字节写入

(1)页写入

为提高写速度，2864A片内设置16字节的“页缓冲器”，将整个存储器阵列划分成512页，每页16字节。高9位(A12~A4)确定页，低4位(A3~A0)选择页缓冲器中的16个地址单元之一。

写操作分两步来实现：
第一步，在软件控制下把数据写入页缓冲器，这步称为页装载与一般的静态RAM写操作是一样的。
第二步，在最后一个字节(即第16个字节)写入到页缓冲器后20ns自动开始，把页缓冲器的内容写到E2PROM阵列中对应地址的单元中，这一步称为页存储。

写方式时，CE*为低，在WE*下降沿地址码A12~A0被片内锁存器锁存，在WE*上升沿数据被锁存。

片内有一个字节装载限时定时器，只要时间未到，数据可随机地写入页缓冲器。在连续向页缓冲器写数据过程中，不用担心限时定时器会溢出，因为每WE*当下降沿时，限时定时器自动被复位并重新启动计时。

限时定时器要求写一个字节数据时间TBLW须满足:

3us<TBLW<20us，这是正确对2864A页面写操作的关键。当一页装载完毕，不再有WE*信号时，限时定时器将溢出，页存储操作随即自动开始。首先把选中页的内容擦除，然后写入的数据由页缓冲器传递到E2PROM阵列中。

(2)字节写入

与页写入类似，写入一个字节，限时定时器就溢出。

3.数据查询方式

用软件来检测写操作中页存储周期是否完成。在页存储期间如对2864A执行读操作，那么读出的是最后写入的字节，若芯片的转储工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最高位的反码据此，单片机可判断芯片的编程是否结束。如果读出的数据与写入的数据相同，表示芯片已完成编程，可继续向2864A装载下一页数据。