0 关于并行扩展

MCS-51单片机片内集成了各种存储器和I/O功能部件，但有时根据应用系统的功能需求，片内的资源还不能满足需要，还需要外扩存储器和I/O功能部件（也称I/O接口部件），这就是通常所说的MCS-51单片机的系统扩展问题。

MCS-51单片机外部存储器结构，采用类似于哈佛结构的设计，即程序存储器的空间和数据存储器的空间是截然分开的，但不是标准的哈佛结构。还有一种外部存储器的结构，它是程序存储器和数据存储器合用一个空间的结构：普林斯顿结构，如MCS-96单片机的存储器结构就是采用普林斯顿结构。

系统扩展是以MCS-51单片机为核心进行的。扩展内容包括扩展程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、I/O接口部件及I/O设备等。

MCS-51单片机数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）的存储空间分别为128B和2K，的最大扩展空间各为64KB，扩展后，系统形成了2个并行的64KB外部存储器空间。

1 并行扩展相关引脚

1.1 MCS-51

51单片机共有三组总线，地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB。

地址总线（AB）：

  • P2：高八位
  • P0：低八位（与数据总线复用）

数据总线（DB）：

  • P0（与地址总线复用）

控制总线（CB）：

  • ALE（Address Lock Enable 允许地址锁存信号，以1/6的振荡频率稳定输出）
  • /PSEN（Program Store Enable 外部程序存储器读选通信号）
  • /RD（读信号）
  • /WR（写信号）

51系列单片机最大扩展ROM为64KB，RAM也为64KB。

1.2 三态锁存器74LS373

  • /OE：三态控制。低电平：允许数据输出，三态门通。高电平：三态门关闭，输出高阻。
  • G (LE)：数据锁存控制。高电平时，输出随输入变化；低电平时，Q端将被锁存。
  • D7~D0：数据输入端
  • Q7~Q0：三态输出端

1.2 同步锁存器74LS373

  • /E：总使能端，低电平有效
  • ^CP：时钟信号，上升沿锁存数据
  • D7~D0：数据输入端
  • Q7~Q0：锁存输出端（高低）

1.3 三态门74LS244

  • /G：三态门控制端，低电平有效，高电平时输出高阻态
  • A7~A0：数据输入端
  • Y7~Y0；三台输出端，/G=0时随A变化，/G=1时高阻

1.4 译码器74LS138

  • CBA：选择输入。作为与输出对应的二进制编码输入；
  • G1, /G2A, /G2B：使能输入，仅有当G1 = 1，/G2A = 0，/G2B = 0时译码输出，否则全1；
  • Y7~Y0：译码器输出，低电平有效。

1.5 EPROM 27C64等

  • A12~A0：地址信号输入线
  • /CE（Chip Enable）：片选信号，低电平有效
  • /OE（Output Enable）：输出允许信号，低电平有效
  • O7~O0：数据线8bit
  • PGM：编程脉冲输入端，对芯片编程时加入编程脉冲信号；读取数据时PMG的值为1
  • 命名规则：前面的27C代表EPROM，28C代表EEPROM，29C代表Flash Memory；而后的64表示64kbit，256表示256kbit，010表示1Mbit，320表示32Mbit

1.6 RAM 6264等

  • A13~A0：地址信号输入线，64kbit仅用到A8~A0共9条线
  • /CS（Chip Select）：片选信号，低电平有效
  • /OE（Output Enable）：输出允许信号，低电平有效
  • /WE（Write Enable）：写允许信号，低电平有效
  • D7~D0：数据线8bit
  • 命名规则：6264表示64kbit，62128表示128kbit，62256表示256kbit

2 MSC-51的ROM扩展

2.1 MCS-51的简单ROM连接

  • 与单个ROM连接不需要译码器
  • 在373选通时，P0口控制下8位地址线，P2.0到P2.4控制上5位
  • 在373锁存时，P0口用于传输ROM信号
  • /PSEN低电平时从P0读入ROM数据，高电平时O7~O0高阻态
  • 由于P2.5控制/CE，P2.5=0均为无效地址
  • 由于P2.7，P2.6不对地址造成影响，出现重叠

2.2 MCS-51的全扩ROM连接

  • P2口高三位经38译码器变为8位信号，控制8个ROM的片选/CE
  • P2低5位和373锁存构成13位地址
  • ALE下降沿时373锁存来自P0的低位地址数据
  • /PSEN低电平时从P0读入ROM数据，高电平时O7~O0高阻态
  • 当PC行至外部程序存储器时，单片机读取外部内容
  • 对应外扩地址如下图所示

2.3 片外存储器取指操作时序

片外取指时序

P2、P0输出指令地址

373锁存P0口输出地址

/PSEN选通读出地址内容

指令通过P0口返回单片机

2.4 片外取指操作的软件实现

  • 当PC行至外扩地址时，自动通过P2、P0读取外部指令，无需软件编写
  • MCS-51外部ROM最大容量为64KB，地址空间0000H~FFFFH
  • 数据是单向的，MCS-51只能读取ROM数据，不能修改

3 MSC-51的RAM扩展

3.1 MCS-51的RAM连接

  • RAM扩展与ROM扩展类似，都要用到锁存器、译码器、存储器
  • 与ROM使用/PSEN不同，RAM使用/RD和/WR分别控制读和写
  • P0口仍然处于复用模式，输出地址低位并输入外部信号

3.2 片外存储器数据读写时序

片外读写时序

MOVX指令用于访问片外

P2、P0输出数据地址DPTR

/RD选通进行“读”操作

数据通过P0口返回单片机

3.3 片外读写的软件实现

  • MOVX A,@DPTR 用于片外读取数据
  • MOVX @DPTR,A 用于片外写存数据
  • 片外RAM扩展的极限值同样为64KB

4 MSC-51的I/O扩展

4.1 I/O扩展的目的

  • 增加IO口个数
  • 电平匹配
  • 增加驱动能力

4.2 MCS-51的I/O连接

  • MCS-51的I/O扩展与RAM扩展基本类似
  • 可以通过多种芯片实现I/O扩展

4.3 I/O扩展的软件实现

I/O扩展的软件实现与RAM基本相同，即使用DPTR对外扩进行读写。


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By Signalista