2022年单片机8(2).ppt

第第9 9章章 单片机系统的扩展单片机系统的扩展主讲：朱兆优主讲：朱兆优本章学习要点：本章学习要点：(1)单片机外部扩展和总线构成原理，串行总线、并行总线扩展技术；(2)线选法、译码法扩展单片或多片存储器、TTL芯片的方法；(3)扩展外部存储器或TTL芯片的端口地址编址方法；(4)I2C、SPI、1/2/3Wire总线的接口和编程应用。9.1 单片机系统扩展概述单片机系统扩展概述 单片机内部资源不够用，需要外部扩展RAM、ROM或I/O口。1、传统的扩展办法、传统的扩展办法 采取外部扩展并行器件，如：ROM-2764、27128、27256、27512等。RAM-6264、62128、62256、62512或2864等。I/O口-8255A、8155H等。通过三总线把单片机与外部器件连接起来，进行数据、地址、控制信号的传输。传统的扩展结构如下：实际上这些器件已经淘汰，也很不实用。2、现代电路扩展方法现代电路扩展方法（1）单片机选型）单片机选型：从外部转到内部，重视单片机选型，根据不同的应用，选择不同性能的单片机芯片。（2）串行总线扩展）串行总线扩展：有I2C接口的AT24Cxx系列和SPI接口的W25Xxx系列。W25X64容量高达容量高达8MB，W25Q128容量高达容量高达16MB。因此，今后的片外扩展将以因此，今后的片外扩展将以串行总线为主串行总线为主，传统，传统的的三总线三总线的应用扩展将出现在的应用扩展将出现在以以ARMARM为核心为核心的大系的大系统结构上。统结构上。9.2 单片机系统总线的构造单片机系统总线的构造 单片机系统扩展出总线，所有器件都挂接在一条总线上。9.2.1 单片机系统总线单片机系统总线三大总线：三大总线：数据总线-与外部器件之间传输数据 地址总线-向外发出地址信号 控制总线-是一组控制信号线 9.2.2 单片机系统三总线的构造单片机系统三总线的构造 单片机的三总线分别由P0、P2口和控制信号构成。三总线构造 如下图：9.3 单片机系统的扩展接口单片机系统的扩展接口1片外并行器件的连接方法 (1)查阅芯片资料 (2)按引脚功能分类 (3)同类线相连 (4)片选信号接地址线2系统扩展要求 (1)能区分不同的地址空间，每个存储单元或端口都各有一个地址。(2)能够控制不同的芯片，读、写操作时不会相互干扰。(3)系统的地址编址不重叠，避免发生数据冲突。3存储器地址分配方法存储器地址分配方法(1)线选法 直接利用单片机系统的地址线作为扩展芯片的片选信号。(2)译码法 用译码器将地址线进行译码，然后将译码器的输出信号作为扩展芯片的片选信号。9.3.2 扩展的外部单元的编址扩展的外部单元的编址 编址方法如下：编址方法如下：(1)基本地址基本地址计算计算 (2)加权地址加权地址计算计算 (3)空地址线空地址线处理处理 (4)将将加权地址加权地址固定地址固定地址，再叠加到，再叠加到基本地址基本地址的的高位上，得出器件的地址范围。高位上，得出器件的地址范围。例例如如 假定扩展了2个芯片(IC1、IC2)，其连接关系如下图，要求计算这2个芯片的地址范围。表示地址位，单片机每一次只能访问一个芯片。则基本地址线12根根，编址为000FFFH 加权地址线2根根（、（、P2.7)悬空线2根根（、（、P2.4)假设假设地址线地址线按如下分配，则计算按如下分配，则计算IC1、IC2的的地址空间如地址空间如 下：9.3.3 单片机扩展存储器的接口设计单片机扩展存储器的接口设计12764和6264的引脚功能(1)数据线8根：D0D7。(2)地址线13根：A0A12。(3)控制线5根：OE-输出允许控制端(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；PGM-编程时，编程脉冲的输入端，低电平有效；CE-片选信号，低电平有效；CS-片选信号使能端，高电平有效，即当CE=0，同时CS=1时，芯片才被有效选中。(4)电源和地线：+5 V供电。2764、6264B引脚排列如下图引脚排列如下图 2、单片机与存储器的典型接口电路、单片机与存储器的典型接口电路确定IC1、IC2和IC3的地址分配如下：IC1：6000H7FFFH;IC2：A000HBFFFH;IC3：C000HDFFFH;对IC2的A100H地址的读操作指令为：MOVDPTR,#0A100H MOVXA,DPTR对IC3的C200H地址的写操作指令为：MOVA,#Data MOVDPTR,#0C200H MOVXDPTR,A3操作时序操作时序对程序存储器和数据存储器的操作是严格分开的。假设执行一个2字节、1周期指令“MOV A,#Data”对对外部数据存储器外部数据存储器的的读操作读操作，如：，如：MOVX A,DPTR9.4 I/O端口扩展与设计端口扩展与设计 传统的I/O端口扩展通常采用8255A/8155H和TTL芯片；现代的I/O口扩展采取选择片内带有不同端口数量的单片机芯片。单片机品种多，有564个数字I/O引脚9.4.1 I/O接口概述接口概述 串行I/O接口-采用逐位串行移位的方式传输数据，可以满足速度要求不高的串行设备接口要求；并行I/O接口-采用并行方式传输数据，可以与外设高速传输数据。1I/O接口的功能接口的功能 (1)数据传输速度匹配。(2)输出数据锁存。(3)输入数据三态缓冲。(4)信号或电平变换。2I/O接口与端口的区别接口与端口的区别 I/O接口(Interface)是CPU与外界的连接电路，是CPU与外界进行数据交换的通道。I/O端口(Port)是CPU与外设直接通信的地址，通常是把I/O接口电路中能够被CPU直接访问的寄存器或缓冲器称之为端口。3.I/O端口的编址端口的编址独立编址方式-把I/O端口地址空间和存储器地址空间严格分开，地址空间相互独立，编址界限分明。统一编址方式-每个I/O端口作为一个外部数据存储器RAM地址单元编址。8051单片机对单片机对I/O端口采用统一编址。端口采用统一编址。3单片机与外设间的数据传送方式单片机与外设间的数据传送方式 (1)同步传送方式 (2)异步传送方式 (3)中断传送方式4I/O接口电路种类 常用的片外I/O接口芯片：（1）TTL芯片、CMOS器件 （2）可编程并行接口芯片(如8155H、8255A)。使用并行可编程I/O接口芯片时，扩展电路比较繁杂，实际已经很少使用（已淘汰）。9.4.2 TTL电路扩展并行电路扩展并行I/O口口 采用TTL电路或CMOS电路的锁存器、三态门，使用总线式或非总线式扩展可以实现与单片机连接。1用TTL电路扩展并行I/O端口电路 例1 按图中，LED灯一一对应按键状态，若K1按下对应L1亮，若没有键按下，则LED灯全灭，要求编程用LED灯表示某按键是否按下。其程序段如下：MOV DPTR,#0000H;I/O端口地址DPTRMOVX A,DPTR;读74LS244端口数据A，产生RD=0。MOVX DPTR,A 例例2 按图从扩展的16位输入口中读入6组数据(每组2字节)，读入的数据存放在片内30H开始的单元。RXDAT:MOV R2,#06;设置读入的字节数 MOV R0,#30H;设置读入数据存放指针 SETB P1.0START:CLR P1.0;端口复位 SETB P1.0;允许串行移位输入 MOV SCON,#00;设置串行口为工作方式0 MOV R3,#02;设置每组读入的字节数READAT:JNB RI,$CLR RI MOV A,SBUF;读入数据 MOV R0,A INC R0 DJNZ R3,READAT DJNZ R2,START RET3用串行接口扩展并行输出口用串行接口扩展并行输出口 CD4094和74LS164都是具有串行移位输入、并行输出的接口芯片，可扩展成并行输出口，电路如下：例例3 按照图，把按照图，把片内片内30H、31H单元单元的内容通过串行接口传送到的内容通过串行接口传送到扩展的扩展的16位输出口。程序段如下：位输出口。程序段如下：TXDAT:MOV R2,#02;设置发送的字节数 MOV R0,#30H;设置发送数据地址指针 CLR P1.0;显示复位清除;禁止复位 MOV SCON,#00;设置串行口为工作方式0 MOV A,R0 MOV SBUF,A;启动发送数据 JNB RI,$CLR RI INC R0;指针加1 DJNZ R2,START;判断数据是否发送完毕 RET9.5 串行总线的扩展应用串行总线的扩展应用 串行总线是芯片间串行数据传输总线，串行总线类型：（1）I2C总线：传输速率400 KB/s。（2）SPI总线：传输速率1.05 MB/s （3）1/2/3Wire总线 9.5.1 I2C总线结构与工作原理总线结构与工作原理1I2C总线结构及特点 I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，可在主控器与被控器之间、主控器与主控器之间进行双向传输。结构如下图：2I2C总线特点总线特点(1)使用二线传输。(2)多主竞争中的仲裁和同步。(3)I2C总线传输数据采用状态码管理方式。(4)采用器件地址与引脚地址相结合的方式进行编址。(5)I2C总线接口的器件都具有应答功能。(6)I2C总线电气接口输出端是晶体管漏极开路或集电极开路结构，使用时必须外接上拉电阻。3I2C总线的信号及时序定义(1)总线上数据的有效性 在时钟线(SCL)为高电平期间，数据线(SDA)高电平表示传输的数据位为1，低电平表示传输的数据位为0。(2)数据传输的起始位和结束位 I2C总线在传送数据过程中有三种类型信号，分别是：起始信号、结束信号和应答信号。9.5.2 I2C总线的时序总线的时序 标准模式下，传输速率100 KB/s，高速模式下传输速率400 KB/s。9.5.3 I2C总线上的数据传输格式总线上的数据传输格式1数据传输时的总线控制 I2C总线上可以连续以8位二进制数(1字节)的方式传输数据。但每启动一次I2C总线，其后的数据传输字节数没有限制。2应答信号 每传送1字节数据后必须跟随等待一个应答信号，表示已收到数据。3数据传送格式(1)主控器写操作：指主控器向被寻址的被控器写入n字节数据的操作，数据传输格式如下：(2)主控器读操作(3)主控器读/写操作9.5.4 I2C总线的信号模拟与编程技术总线的信号模拟与编程技术启动条件：在SCL为高电平时，SDA出现一个下降沿则启动I2C总线。停止条件：在SCL为高电平时，SDA出现一个上升沿则停止使用I2C总线。稳定状态：除了启动和停止状态，在其余状态下，SCL的高电平都对应SDA的稳定数据状态。设以89C51的I/O口、做模拟I2C总线，则常用的子程序如下：(1)I2C总线启动子程序总线启动子程序STAT STAT：SETB SDA;SDA置高电平SETB SCL;SCL置高电平NOP;延时NOPCLR SDA;在SCL=1使SDA产生下降沿NOPNOPCLR SCL;SCL拉低，主控制器等待RET2、停止子程序STOPSTOP：CLR SDA;SDA置低电平SETB SCL;SCL置高电平NOP;延时NOPSETB SDA;在SCL=1使SDA产生上升沿NOP;延时NOPCLR SCL;SCL拉低，主控制器等待RET(3)发送应答位置0子程序MACKMACK：CLR SDA;SDA置低电平SETB SCL;SCL置高电平NOP;延时NOPCLR SCL;发送0信号，即应答位SETB SDARET(4)发送非应答位置发送非应答位置1子程序子程序NACKNACK：SETB SDA;SDA置高电平SETB SCL;SCL置高电平NOPNOPCLR SCL;发送1信号，即非应答位CLR SDARET(5)应答位检测子程序应答位检测子程序CACK CACK：SETB SDA;置SDA为输入方式SETB SCL;SCL置1使SDA上数据有效CLR F0;置F0=0MOV C,SDA;读SDA信号到CJNC CEND;若SDA=0为应答，F0=0SETB F0;否则无正常应答，置F0=1CEND：CLR SCL;SCL拉低RET(6)发送一字节数据子程序发送一字节数据子程序WRBYT WRBYT：MOV R2,#08;置一字节8位，WLP:RLC A;从高位开始逐位移出并发送JC WR1;判断发送1还是0，若发送1则转WR1AJMP WR0WLP1:DJNZ R2,WLP;8位数据未发送完，继续发送RETWR1:SETB SDA;置SDA=1，发送1SETB SCLNOPNOPCLR SCLCLR SDA;复位SDAAJMP WLP1WR0:CLR SDA;置SDA=0，发送0SETB SCLNOPNOPCLR SCLAJMP WLP1(7)接收一字节数据子程序接收一字节数据子程序RDBYTRDBYT:MOV R0,#08;置8位数据长度RLP:SETB SDA;置SDA为输入方式SETB SCL;置SCL=1，使数据有效MOV C,SDA;从数据线上读入一位到CMOV A,R2RLC A;把数据位移入到AMOV R2,ACLR SCL;读一位结束，继续接下一位DJNZ R0,RLP;8位数据读完否？RET 9.6 I2C总线器件的接口应用总线器件的接口应用 AT24Cxx、PCF8563/8583等器件都是目前广泛应用的I2C总线接口的器件。9.6.1 串行串行E2PROM存储器接口应用存储器接口应用 AT24Cxx广泛应用于汽车电子、水表、电表、煤气表和电视机等电子产品中用做数据保存。1AT24Cxx存储器的主要特性 字节写入方式和页写入方式 可用电擦写，功耗很低，电压5.5 V 1.8 V供电时最高传输速率达100 KHz 2.7 V或5 V供电时传输速率达400 KHz 在5 V供电时最大速率达1 MHz （AT24C128/256/512）抗干扰能力强 2引脚功能与地址选择采用了DIP8脚封装形式，各引脚功能如下：A0、A1、A2：地址输入端，可并联8个芯片；SCL：I2C总线的时钟线；SDA：I2C总线的数据线；WP：写保护端，WP=1只读，读写时接地；Vcc、GND：电源，可以接或5V供电。AT24Cxxx特性特性3存储器的写操作存储器的写操作 AT24Cxx系列存储器把地址空间按物理分页，支持按页写操作模式，其读写通信格式时序 如下：5与单片机的接口编程与单片机的接口编程89C51单片机与AT24C64接口电路如下：例1 要求从IC1中的120H地址开始连续读出8字节数据，读出的数据存放在单片机片内30H开始的单元中(用R0作指针)。读出过程读出过程：送写命令，送写地址，送读命令，读出数据。初值定义如下：AddrH EQU 01H;指定读器件内单元地址高字节AddrL EQU 20H;指定读器件内单元地址低字节PAddr EQU 30H;单片机片内地址NDATA 08;从24C64器件内读出数据长度MOV R0,#PAddr;初始化 MOV R6,#AddrL MOV R7,#AddrH MOV R5,#N；多字节读出程序见课本例例2 要求把片内地址要求把片内地址30H开始的开始的8个数写入到个数写入到IC1中的中的3C0H地址开始单元中。地址开始单元中。写操作过程写操作过程：送写命令，送写地址，写多字节数。写子程序如下：送写命令，送写地址，写多字节数。写子程序如下：WRCBY:ACALL STAT;24C64数据写入子程序MOV A,#0A2H;写入命令字A2H，准备数据写入ACALL WR8B;写入子程序ACALL CACKJB F0,WRC64MOV A,R7;高字节地址03HAACALL WR8B;写入子程序ACALL CACKJB F0,WRC64MOV A,R6;低字节地址0C0HAACALL WR8BACALL CACKJB F0,WRC64WRDA64:MOV A,R0;从30H单元取1字节要写入的数据AACALL WR8B;调用一字节数据写入子程序ACALL CACKJB F0,WRC64INC R0DJNZ R5,WRDA64;判断N个数据数据是否写完，未完则继续ACALL STOPRET9.6.2 串行日历时钟芯片的接口应用串行日历时钟芯片的接口应用 PCF8563是Philips公司推出的一款工业级、内含I2C总线接口功能、具有极低功耗的多功能CMOS实时时钟/日历芯片。广泛用于电池供电的仪器仪表等电子产品领域。1PCF8563的主要特性 内部有16个8位寄存器，具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能够完成各种复杂的定时服务，可以为单片机提供看门狗功能。总线速度400 KB/s 2PCF8563工作原理工作原理 用16个8位寄存器管理、控制芯片工作。CLK频率寄存器用于控制CLK引脚输出方波的频率。当FE=0，CLK成高阻态，禁止输出信号；FE=1，允许在CLK输出有效频率。3PCF8563与单片机的接口应用 PCF8563有唯一的器件地址：读地址为A3H、写地址为A2H，具有字节写和读两种状态。9.7 1/2/3Wire总线器件的接口应用总线器件的接口应用 1/2/3Wire总线是Dallas公司研制开发的一种总线接口技术，并设计了可供家用电器及工业控温使用的器件。9.7.1 单线制串行总线器件 每一个符合One-Wire协议的芯片都有一个唯一的地址，包括8位的家族代码、48位的序列号和8位的CRC代码。主芯片对各个从芯片的寻址依据这64位的内容来进行。1DS18B20性能特点 One-Wire协议的数字式温度传感器。它设置地址线、数据线和控制线合用合用1根双向数据传输信号线(DQ)。测温范围为-55+125；转换精度为912位二进制数(含1位符号位)。测温精度为9位精度为0.5；12位精度为0.0625；具有非易失性上、下限报警设定功能。转换时间：9位精度时为93.75 ms；10位精度时为187.5 ms；12位精度时为750 ms。2DS18B20寄存器 内部有9字节的高速寄存器，各寄存器功能与编址如下表：3DS18B20系统配置寄存器数据格式 系统配置寄存器数据格式如下：DS18B20分辨率设置如下：4DS18B20温度值存放格式DS18B20用12位精度测出的温度值用16位二进制补码形式表达如下：DS18B20采取12位精度测出的数字量用16位二进制补码形式表达如下：5DS18B20命令字 DS18B20温度步骤：复位操作；发送ROM指令；发送RAM指令进行预定操作。DS18B20指令表如表 6DS18B20的应用电路的应用电路 7DS18B20的编程应用(1)主机应先发送复位信号(2)主机对DS18B20写数据时，主机每写入1位数据时间应保持60120 s，两次写入数据的间隙应大于1 s。(3)主机对DS18B20读操作时，主机应在15 s后读取数据线，完成读操作。DS18B20的初始化、复位和读、写子程序略。9.7.2 双线制、三线制串行总线器件（自学）略双线制、三线制串行总线器件（自学）略 DS1621和DS1620都是DALLAS公司生产的串行接口总线数字式温度传感器，具有9位精度，分辨率为0.5，测温范围-55+125，转换时间为1秒。DS1621是双线制接口，DS1620是三线制接口两者总线的传输协议与I2C总线兼容，器件地址为：1001 A2A1A0 R/W 通过A2 A1 A0编码，一次最多可控制8片。9.8 SPI总线器件的接口应用 SPI(Serial Peripheral Interface)总线是芯片间的串行外围接口，是Motorola公司推出的同步扩展接口，采用四线制(片选线、时钟线、数据输入、输出线)实现芯片间串行数据传输。SPI串行扩展接口是全双工同步通信口，主机方式传送数据速率达1.05 MB/s。具有SPI串行总线接口的器件有ISD4004语音录/放芯片、W25X10A、LM74高精度温度传感器、X5045P和X25045A存储器等器件。W25X10A最高传送速率达150MHz/sWRDA64:MOV A,R0;从30H单元取1字节要写入的数据ADS18B20采取12位精度测出的数字量用16位二进制补码形式表达如下：每一个符合One-Wire协议的芯片都有一个唯一的地址，包括8位的家族代码、48位的序列号和8位的CRC代码。（AT24C128/256/512）7 1/2/3Wire总线器件的接口应用对外部数据存储器的读操作，如：实际上这些器件已经淘汰，也很不实用。对IC2的A100H地址的读操作指令为：2 双线制、三线制串行总线器件（自学）略对外部数据存储器的读操作，如：TXDAT:MOV R2,#02;设置发送的字节数具有非易失性上、下限报警设定功能。(3)主控器读/写操作(6)用3V电压供电，电流小，待机时1 uA，放音时30 mA，录音时25 mA。SETB SCL;SCL置高电平9.8.1 ISD4004语音录/放电路（简略）1语音录语音录/放芯片放芯片ISD4004特点特点(1)记录的声音没有段长度限制。(2)声音的记录无需A/D 转换和压缩。(3)保存数据长达100年，重复记录1000次以上。(4)内置16MB非易失性存储器，可分为2400段，每段400 ms，分段地址为000960H，记录时长16分钟。(5)SPI 串行接口，提供全部数据和控制操作。(6)用3V电压供电，电流小，待机时1 uA，放音时30 mA，录音时25 mA。2ISD4004引脚功能说明引脚功能说明 ISD4004采用28脚封装，引脚如图 9.8.2 ISD4004的工作时序的工作时序（略）1.读写时序读写时序2ISD4004指令操作码格式指令操作码格式 ISD4004的指令码是1字节命令字，实际只用高5位(C0C4)，低3位无效(使用时以0处理)。ISD4004的指令码有10个，指令格式如表：9.8.3 ISD4004接口电路与编程应用（略）图中MIC作为语音输入的麦克风，SPK作为语音输出的喇叭，LM386作为语音放大器，单片机用作为SPI模拟串行通信线。程序见课本。