C51单片机技术教程 教学课件 ppt 作者 田希晖 薛亮儒 第5章 C51单片机的系统扩展

,第5章 C51单片机的系统扩展,重点与难点 单片机系统扩展的基本概念、单片机程序存储器扩展、单片机数据存储器扩展、单片机I/O口扩展。,基本要求 1掌握单片机系统扩展的基本概念 2掌握单片机程序存储器的扩展方法 3掌握单片机数据存储器的扩展方法,4掌握常用扩展芯片8255、8253、8155、I2C接口芯片24C02、SPI接口芯片X5045和单片机配置FPGA的使用方法,本章内容 1系统扩展概述 2程序存储器的扩展 3数据存储器的扩展 4可编程外围并行接口8255 5可编程外围定时器8253,6可编程并行接口芯片8155 7I2C接口芯片AT24C01 8SPI接口芯片X5045 9单片机配置FPGA,5.1 系统扩展概述,5.1.1 C51单片机的最小系统 1C51的最小系统 C51是片内具有ROM的单片机，需要外接晶体振荡器和复位电路就可构成最小系统。,该最小系统的特点主要体现在以下几个方面： （1）P0，Pl，P2，P3口都可作为I/O口使用； （2）内部程序存储器容量仅为4KB； （3）由于不采用外部程序存储器，应接高电平。,28031的最小系统 由于8031是片内无ROM的单片机，因此它必须外接程序存储器，并使用地址锁存器才能构成一台完整的没有扩展的最小系统。,该最小系统的特点主要体现在以下几个方面： （1）由于P0、P2口需要提供访问存储器的地址A0Al5，因此这两个8位口不能作为一般的I/O口使用； （2）存储器芯片的容量可根据需要选择；,（3）P0口地址线和数据线是复用的，它必须用到地址锁存器； （4）由于采用外部程序存储器，应接地（低电平）。,5.1.2 系统扩展及结构 1系统扩展结构,图5-1 单片机系统的扩展结构,2系统总线及总线构造 （1）系统总线 地址总线（Address Bus，简写AB） 数据总线（Data Bus，简写DB） 控制总线（Control Bus，简写CB）,（2）总线构造,图5-2 C51单片机扩展总线构造图,（3）单片机的串行扩展技术 串行扩展是通过串行接口实现的，这样可以减少芯片的封装引脚，降低成本，简化系统结构，增加系统扩展的灵活性。,5.1.3 C51单片机存储器扩展与编址技术 1存储器扩展概述 存储器扩展是单片机系统扩展的主要内容，由于扩展是在单片机芯片之外进行的，因此通常把扩展的程序存储器（ROM）称为外部ROM，把扩展的数据存储器（RAM）称为外部RAM。,2单片机存储器系统 C51单片机的存储器结构和存储空间分配如图5-3所示。,图5-3 单片机系统的存储器结构和存储空间分配,3扩展存储器编址技术 （1）扩展存储器编址概述 （2）存储器扩展的编址技术 线选法 译码法,图5-4 线选法扩展两片RAM,图5-5 译码法扩展两片RAM,5.2 程序存储器的扩展,5.2.1 扩展EPROM 1单片程序存储器扩展,图5-6 常用EPROM芯片的引脚图,图5-7 单片程序存储器（ROM）扩展连接,（1）存储器扩展的主要工作是地址线、数据线和控制信号线的连接。 （2）分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据地址线连接情况确定其最低地址和最高地址。,2多片程序存储器扩展,图5-8 两片程序存储器扩展连接图,5.2.2 扩展（E2PROM） E2PROM是一种电可擦除可编程的存储器，最经常使用的并口E2PROM有高压编程的28C16（2K）、28C17（2K）和28C64（8K），低压编程的28C16A（2K）、28C17A（2K）和28C64A（8K）等；最经常使用的串口E2PROM有24C01（1K）、24C02（2K）、24C04（4K）等，它们将在5.7节中进行介绍。,5.3 数据存储器的扩展,随机存储器（Random Access Memory）简称为RAM，在单片机系统中用于存放可随时修改的数据，因此在单片机领域中也称为数据存储器。,图5-9 静态RAM6116引脚,5.3.1 单片数据存储器扩展,图5-10 单片RAM扩展连接图,5.3.2 线选法多片数据存储器扩展,图5-11 线选法4片RAM扩展连接图,5.3.3 译码法多片数据存储器扩展,图5-12 译码法扩展时的译码电路,5.4 可编程外围并行接口8255A,5.4.1 8255A的引脚功能和逻辑结构,图5-13 8255A引脚图,图5-14 8255A内部逻辑结构图,1口电路 2总线接口电路 3控制逻辑电路,5.4.2 8255A的工作方式及数据I/O操作 18255A的工作方式 （1）方式0：基本输入/输出方式 （2）方式1：选通输入/输出方式,（3）方式2：双向数据传送方式,2数据输入操作 （1） （STroBe）：选通脉冲（输入），低电平有效。 （2）IBF（Input Buffer Full）：输入缓冲器满信号（输出），高电平有效。 （3）INTR（INTerrupt Request）：中断请求信号（输出），高电平有效。,3输出操作 （1） （ACKnowledge）：外设响应信号（输入），低电平有效。 （2） （Output Buffer Full）：输出缓冲器满信号（输出），低电平有效。 （3）INTR：中断请求信号（输出），高电平有效。,5.4.3 8255A控制字及初始化 1工作方式控制字,图5-15 8255A工作方式控制字格式,2C口位置位/复位控制字,3初始化编程,5.4.4 8255A与C51单片机的接口,图5-16 C51与8255A的连接,5.5 可编程外围定时器8253,Intel 8253是可编程定时/计数器，片内包含有三个独立的通道，每个通道均为16位的计数器，其计数速率均可达2.6MHz。,5.5.1 8253的结构和引脚,图5-17 8253结构框图,图5-18 8253引脚配置,5.5.2 8253的工作方式和控制字 8253计数器工作方式由编程设定，通过将控制字写入控制寄存器，来选择每一个计数器的工作方式。控制字的格式如下所示。,5.5.3 8253与C51单片机的接口,图5-19 8253与8031的接口电路,5.6 可编程并行接口芯片8155,5.6.1 8155的引脚功能和逻辑结构,图5-20 8155引脚,图5-21 8155内部逻辑结构,8155的性能特点： （1）256byte的RAM； （2）两个可编程8位输入输出口，一个可编程6位输入输出口； （3）一个14位可编程定时/计数器。,5.6.2 8155的工作原理 1一般说明 2RAM 3定时/计数器 4I/O口,5.6.3 8155的命令/状态字 18155的命令字 28155的状态寄存器,5.6.4 8155的定时/计数器 1定时/计数器的计数结构,2定时/计数器的使用 3定时/计数器的控制 48155定时/计数器的初始化,5.6.5 8155的输入/输出口 1基本输入/输出方式 2选通输入方式,图5-22 8155 A口选通输入方式,3选通输出方式,图5-23 8155 A口选通输出方式,5.6.6 8155与C51单片机的接口,图5-24 8155与C51单片机的接口电路,5.7 I2C接口芯片AT24C01,I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。,5.7.1 I2C总线特点 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。 I2C总线的另一个优点是它支持多主控（multimastering），其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。,5.7.2 I2C总线工作原理 1总线的构成及信号类型 I2C总线是一种串行数据总线，只有二根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。,图5-25 I2C位传输数据改变时序图,3开始信号 SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。,4结束信号 SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。I2C位传输时序如图5-26所示。,图5-26 I2C位传输时序图,5应答信号 6总线基本操作,5.7.3 AT24C01与C51的接口 AT24C系列串行E2PROM具有I2C总线接口功能，功耗小，宽电源电压（根据不同型号2.5V6.0V），工作电流约为3mA，静态电流随电源电压不同为30A110A。,1AT24C系列串行E2PROM引脚结构,图5-27 AT24C系统芯片引脚结构图,2AT24C系列E2PROM接口及地址选择 3C51单片机与AT24C01 E2PROM通信的硬件实现,图5-29 AT24C01与C51单片机接口,4AT24C系列E2PROM读写操作,5.8 SPI接口芯片X5045,SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。,5.8.1 SPI总线的组成,图5-30 SPI总线接口系统的典型结构图,图5-31 SPI总线读写数据时序图,1输出芯片的串行数据输出是否有三态控制端。 2输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。,5.8.2 X5045与C51单片机的接口 X5045是在单片机系统中广泛应用的一种看门狗芯片，它把上电复位、看门狗定时器、电压监控和E2PROM四种常用功能组合在单个芯片里，以降低系统成本、节约电路板空间。,其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用；512×8位的E2PROM可用来存储单片机系统的重要数据。,1X5045芯片的特点与工作原理 （1）特点 （2）引脚定义及通信协议 （3）工作原理,图5-32 X5045管脚结构图,2X5045芯片与C51单片机的硬件连接 （1）硬件连接 （2）程序设计,图5-33 X5045的指令寄存器,5.9 单片机配置FPGA,Altera FLEX10K是工业界第一个嵌入式PLD，由于其具有高密度、低成本、低功率等特点，并具有ICR（In-CircuitReconfigurability，在线可重配置）的特点，受到了广大设计者的喜爱，目前日趋广泛地应用于数字系统设计中。,基于SRAM查找表结构的FLEX10K器件，其逻辑功能和互连关系是由存储在SRAM中的配置数据决定的，由于SRAM的易失性，每次加电期间，都必须对其进行重新配置，将I/O引脚和进入了用户状态。FLEX10K器件配置分为主动配置模式和被动配置模式方式。,根据数据线宽度FLEX10K器件配置分为8位并行配置和串行配置两类。,5.9.1 FLEX10K的工作状态 FLEX10K器件有三种工作状态：第一种为用户状态（Usermode），指电路中FLEX10K器件正常工作时的状态；第二种称为配置状态（Configuration），指将配置数据装入FLEX10K器件；第三种就是初始化状态（Initialization），FLEX10K器件复位各类寄存器，让I/O引脚为器件正常工作做准备。,5.9.2 FLEX10K器件的配置 FLEX10K器件的配置引脚可分为专用配置引脚和非专用配置引脚两类。专用配置引脚只在配置时起作用，非专用引脚配置完成后作为普通的I/O引脚使用。,5.9.3 主动串行模式配置FLEX10K器件 主动串行（Active-Serial，AS）配置模式由Altera提供的专用配置器件EPC（如EPC1是一次可编程器件，EPC2是多次可编程器件）向FLEX10K输入串行位流的配置数据。,图5-34 FLEX10K的配置电路原理图,