单片机的扩展结构
目录
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)74LS139
2.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)字节写入
3.数据查询方式
4.维持方式
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
(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。
4.维持方式
当CE*为高电平时，2864A进人低功耗维持方式。此时，输出线呈高阻态，芯片的电流从140mA降至维持电流60mA。
AT89S52对2864A进行写操作时所用指令包括:
MOVX @DPTR，A
MOVX @Ri，A
AT89S52对2864A进行读操作时所用指令包括
MOVX A，@DPTR
MOVX A，@Ri
示例：
编一个写入一页(16个字节)数据到E2PROM 2864A的子程序设写入的数据取自片内RAM40H开始的源数据区
