一文读懂，单片机扩展技术

嵌入式ARM 2023-09-13 15:20

示波器需要多少模拟通道？ 您在使用示波器时面临的最大挑战是什么？

单片机内部存储器和I/o口资源有限，多数情况下需要外部扩展。

一、扩展方法和内容

二、总线介绍

单片机并行扩展的典型结构是总线结构。

各扩展部件通过总线与单片机连接起来，相当于系统中各部件挂在总线上，分时利用总线与CPU通讯。

当选中某部件时，可对该部件进行读写及控制，而其它部件与总线间处于“高阻态”，相当于与总线断开。

单片机系统的三总线构造方法如下：

以P0口线作数据总线/低位地址总线4以P2口线作高位地址总线；

采用功能引脚形成控制总线。

以P0口线作数据总线/低位地址总线：先由P0口线作地址总线，把低8位地址送锁存器，由锁存器提供给系统；然后再将P0口线作数据总线读写数据，从而实现地址总线的低8位地址信号和数据总线共用P0口线而不产生冲突。

以P2口线作高位地址总线：P2口线最多可提供8位高位地址，加上P0口线提供的低8位地址，最多可提供16位地址，可使单片机系统的寻址范围最大达到64KB。

采用功能引脚形成控制总线：由 RD（P3.6引脚）和 WR（P3.7引脚）作为读写选通信号线；由ALE作为地址锁存信号线，以配合P0口实现分时复用；PSEN以作为片外程序存储器读选通信号线；以EA作为片内和片外程序存储器的选择信号。

存储器的基本操作控制，包括片选控制和读写操作控制。

线选法：地位地址线（A0~A10）实现片内寻址，高位地址线线（A11~A13）实现片选。线选法连线简单，但地址空间不连续，适用于扩展容量较小且芯片数目较少的情况。

译码法：通过译码器将高位地址线转换为片选信号。译码法能有效利用存储空间，且地址连续，适用于多芯片下的扩展。常用译码器芯片有74138等。

三、储存扩展

地址线：地址是由P0和P2口提供的。ROM的地址线(A0～A15)中，低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高8位A8～A11直接与P2口的P2.0～P2.7连接。

数据线：片外ROM的8位数据线直接与单片机的P0口相连。

控制线：CPU执行ROM中存放的程序指令时，取指阶段就是对ROM进行读操作。读操作控制线有以下几条：

地址锁存信号ALE、片选信号CS、读选通信号OE、片外程序存储器的选用控制信号EA

地址锁存信号ALE：单片机的ALE管脚与锁存器的锁存使能端G相连，用于单片机从片外ROM在读指令时给出低8位地址的锁存信号。

片选信号CS：低电平有效。如果系统中只扩展了一片程序存储器芯片，可将该片选端直接接地，使该芯片一直有效。若同时扩展多片，需通过线选法或译码法来完成片选工作。

读选通信号OE：低电平有效。该引脚接8051的片外ROM读选通信号端PSEN。在访问片外程序存储器时，只要该端出现负脉冲，即可从ROM中读出指令或数据。

片外程序存储器的选用控制信号EA：当EA引脚接高电平时，CPU只访问单片机内部的程序存储器并执行内部程序存储器中的指令，但当程序存储量超过内部程序存储器的最大容量时，将自动转去执行单片机外部程序存储器内的程序。当输入信号引脚接低电平(接地)时，CPU只访问外部程序存储器并执行外部程序存储器中的指令。

在执行片外ROM读指令时，单片机自动进行的操作时序：

（1）首先由PO口和P2口给出16位地址，然后ALE出现下降沿通知锁存器将P0口的低8位地址锁存；

（2）PSEN出现低电平，使片外ROM有效；

（3）根据锁存器和P2口提供的地址取出指令并送P0口，由P0口读入单片机执行。

在上述过程中，数据存储器RAM读写信号端WR和RD一直处于高电平状态，使RAM与总线隔离。

四、控制程序

根据下图电路编写程序用数码管显示0-9共10个数字循环显示。

#include unsigned char led[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//字型码 
int main(void){    unsigned char i;    while(1)  {      for(i=0;i<10;i++)//循环显示10个数字          {               P1=led[i];                   delay();//延时一段时间                 }  }}
void delay()//延时函数{     int i,j;      for(i=0;i<3000;i++)    for(j=0;j<5;j++);}

五、数据储存扩展

数据存储器RAM的扩展主要用到以下3个控制信号：

ALE：低8位地址锁存控制信号，通常接地址锁存器的LE引脚；

WR：外部RAM写信号，低电平有效，接数据存储器的WE引脚；

RD：外部RAM读信号，低电平有效，接数据存储器的OE引脚。

在执行片外RAM读写指令时，单片机自动进行的操作时序与读ROM相似：

（1）首先由PO口和P2口给出16位地址，然后ALE出现下降沿将P0口的低8位地址锁存；

（2）在读数据时，RD出现低电平，WR出现高电平，使读片外RAM有效，并根据锁存器和P2口提供的地址取出数据并送P0口，由P0口读入单片机。

（3）在写数据时首先将数据加载到P0口，然后RD引脚出现高电平，WR引脚出现低电平，使写片外RAM有效，并根据锁存器和P2口提供的地址将P0口上的数据写入片外RAM。

六、程序举例

根据图8-4编写程序将数码管显示0-9共10个数字的字型码存储到6264中，然后从6264中循环读出字型码并送数码管显示。

#include #include  unsigned char led[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//字型码
int main(void){    unsigned char i;    for(i=0;i<10;i++)//存储10个数字字型码  XBYTE[0x8000+i]=led[i];    while(1)  {      for(i=0;i<10;i++)//循环显示10个数字       {           P1=XBYTE[0x8000+i];           delay();//延时一段时间      }  }    }void delay()//延时函数{     int i,j;      for(i=0;i<30000;i++)    for(j=0;j<5;j++);}

对输入/输出口功能的扩展，可以利用简单的TTL电路或MOS电路，也可以使用结构较为复杂的可编程接口芯片。

MCS-51单片机将I/O口与片外RAM统一编址，两者合在一起使用同一个64KB的外扩展地址空间，因而，I/O口的输入、输出指令也就是片外数据存储器的读/写指令。

简单输入扩展主要采用三态数据缓冲器实现，目的是使被选通的输入设备能独占数据总线向单片机输入数据，而未被选通的设备与数据总线隔离。常用的三态数据缓冲器芯片有74LS244等。

简单输出扩展主要采用三态数据锁存器实现，目的是使单片机能通过数据总线向被选通的设备输出数据，而未被选通的设备与数据总线隔离。常用的三态数据锁存器芯片有74LS273等。

8051单片机使用74LS373和74LS245展I/O口，分别连接发光二极管和拨码开关，要求编写控制程序，通过开关的拨动控制发光二极管的亮灭。

#include #include      #define PORT XBYTE[0xFFFF] //地址写什么都可以int main(void){    unsigned char temp;    while(1)    {      temp=PORT; //读存储单元操作，即通过74LS245获取开关数据      PORT=temp; //写存储单元操作，即通过74LS373用开关数据控制发光二极管    }}