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8051 单片机应用系统设计____硬件扩展技术

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内容介绍§1.单片机最小应用系统及其扩展述 §1.0 80C51单片微机的内部结构概况 §1.1 单片机最小应用系统 §1. 2 系统扩展的内容与方法 §2 常用的扩展器件简介 §3 存储器的扩展 §3.1 存储器扩展概述 §3.2 程序存储器的扩展 §3.3 数据存储器的扩展 §3.4 全地址范围的存储器最大扩展系统 §4 I/O口的扩展 §5 典型的单片机应用扩展系统实例

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§1.单片机最小应用系统及其扩展概述§1.0 80C51单片微机的内部结构概况一般微型计算机的基本硬件由四部分组成，即中央处 理器CPU (通常包括运算器和控制器)+存储器+输入/输出(I/O) 接口+系统总线。将组成计算机的基本部件集成在一块大规 模集成电路芯片上，则俗称为单片微型计算机，简称单片 机。 51系列单片机内部主要包括中央处理器CPU (算术逻辑部 件 ALU、控制器等) 、只读存储器(ROM/EPROM)、随机存取存 储器 (RAM)、定时器/计数器、并行 I/O口 P0~P3、串行 口、中断系统以及定时控制逻辑电路等。 8051系列单片机内部结构如图1-1.0 所示。

8051简化的内部结构如图1-1.1所示

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图1–1.0 8051的内部结构图

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图1-1.1 80C 51-单片机简化结构框图

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§1-1.1单片机最小应用系统及其扩展概述1. 单片机最小应用系统 单片机系统的扩展是以基本的最小系统为基础的, 故

应首先熟悉最小应用系统的结构。实际上, 内部带有程序存储器的8051或8751及 89C51单片机本身就是一个最简单的最小应用系统。许 多实际应用系统就是用这种成本低和体积小的单片结构 实现了高性能的控制。 对于目前国内较多采用的内部无

程序存储器的芯片8031来说, 则要用外接程序存储器的方法才能构成一个最小应用系统。

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1. 2 片内带程序存储器的最小应用系统片内带程序存储器的8051、8751及89C51本身即可构成一片最小系统, 只要将单片机接上时钟电路和复 位电路即可, 同时EA 接高电平, ALE、PSEN

信号不用,

系统就可以工作。 如图1―1.2 所示该系统的特点如下:

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(1) 系统有大量的I/O线可供 用户使用， P0、 P1、 P2、 P3 四个口都可以作为I/O口使用。 (2) 内部存储器的容量有限, 只有128 B的RAM和 4 KB的程 序存储器。 (3) 应用系统的开发具有特殊 性, 由于应用系统的P0口、 P2口 在开发时需要作为数据、地址总 线, 故这两个口上的硬件调试只 能用模拟的方法进行。8051的应用软件须依靠厂家 用掩膜技术置入, 故一般只适用 于可作大批量生产的应用系统。

图1―1 .2 MCS—51系列最小化系统

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2. 片内无程序存储器的最小应用系统 片内无程序存储器的芯片

构成最小应用系统时, 必须在片外扩展程序存储器

。 由于一般用作程序存储器

的EPROM芯片不能锁存地址,故扩展时还应加1个锁存器, 构 成一个3片最小系统, 如图1―2 所示。 该图中74LS373为地址 锁存器, 用于锁存低8位地址。图1―1.3 8031最小化系统

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§1.2 系统扩展的内容与方法 1. 单片机并行扩展的三总线结构 当单片机最小系统不能满足系统功能的要求时,

就需要进行扩展。为了使单片机能方便地与各种扩展 芯片连接, 常将单片机的外部连线变为一般的微型计 算机3总线结构形式。 对于MCS-51系列单片机, 其3 总线由下列通道口的引线组成: 地址总线: 由P2口提供高8位地址线, 此口具有输 出锁存的功能, 能保留地址信息。 由P0口提供低8位

地址线。 数据总线: 由P0口提供。 此口是双向、 输入三态 控制的8位通道口。

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控制总线: 扩展系统时常用的控制信号为:ALE ——地址锁存信号, 用以实现对低8位地址的 锁存。

PSEN ———片外程序存储器取指信号。

RD ———片外数据存储器读信号(P3.7)。WR ——片外数据存储器写信号(P3.6)。单片机扩展成3总线结构的示意图如图1―1.4 所 示。 即, 扩展芯片与主机的连接方法同一般3总线结构 的微型计算机就完全一样。

对于MCS-51系列单片机, Intel 公司专门为它们配

套生产了一些专用外围芯片, 使用起来更加方便。

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8051引脚图

图1―1.4 单片机并行三总线结构形式

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2. 系统扩展的内容与方法(1) 系统的扩展一般有以下几方面的内容:

① 外部程序存储器的扩展;② 外部数据存储器的扩展;

③ 输入/输出接口的扩展;④ 管理功能器件的扩展(如定时/计数器、 键盘/显示器、中断优先编码器等)。

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(2) 系统扩展的基本方法:

① 使用TTL中小规模集成电路进行扩展。② 采用Intel MCS-80/85微处理器外围芯片扩展。 ③ 采用为MCS-48系列单片机设计的一些外围芯片, 其中许多芯片可直接与MCS-51系列单片机连用。 ④ 采用与intel MCS-80/85外围芯片兼容的其它一

些通用标准芯片。

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§2 常用的扩展器件简介

1. 8D锁存器74LS37374LS373是一种带输出三态门的8D锁存器，其结构示

意图如图所示。其中： 1D~8D为8个输入端。 1Q~8Q为8个输出端。 G为数据打入端： 当G为“1”时，锁存器输出状态(1Q~8Q)同输入状态 (1D~8D); 当G由“1”变“0”时， 数据打入锁存器中。

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8D锁存器74LS373用作地址锁存器时的连接图如图所示。

图2.1 74LS373用作地址锁存器

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2. 总线驱动器74LS244, 74LS245 总线驱动器74LS244和74LS245经常用作三态数据 缓冲器，74LS244为单向三态数据缓冲器，而74LS245 为双向三态数据缓冲器。 单向的

内部有8个三态驱动器，分成两组，分别由 控制端 1G 和 2G 控制；

双向的有16个三态驱动器， 每个方向8个。 在控制端 G 有效时( G 为低电平), 由DIR端控制驱动方 向：DIR为“1”时方向从左到右(输出允许),DIR为

“0”时方向从右到左(输入允许)。 74LS244和74LS245的引脚图如图4―5所示。

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图2.2 总线驱动器芯片管脚图 (a) 单向驱动器74LS244; (b) 双向驱动器74LS245

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P2口如外接总线驱动器，可用单向的72LS244, 其连接图如图1―6(a)所示。它的两个控制端 1G 和 2G 均接地， 相当于8个三态门均打开， 数据从P2口 到A8~A15端直通，也就是说，此处采用74LS244纯 粹是为了增加驱动能力而不加任何控制。图2.3 总线 驱动器的连接图 (a) P2口外接

74LS244(b) P0口外接 74LS245