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1、单片机80C51单片微机的系统扩展原理与接口技术8.1 8.1 系统扩展原理系统扩展原理系统扩展是指单片微机内部各功能部件不能满足应用系系统扩展是指单片微机内部各功能部件不能满足应用系统要求时，在片外连接相应的外围芯片以满足应用系统要求。统要求时，在片外连接相应的外围芯片以满足应用系统要求。80C51系列单片微机有很强的外部扩展能力，扩展电路及扩展系列单片微机有很强的外部扩展能力，扩展电路及扩展方法较典型、规范。方法较典型、规范。80C51系列单片微机的系统扩展主要有程系列单片微机的系统扩展主要有程序存储器（序存储器（ROM）的扩展、数据存储器（）的扩展、数据存储器（RAM）的扩展、）的扩展、
2、I/O口的扩展、中断系统扩展以及其它特殊功能接口的扩展等。口的扩展、中断系统扩展以及其它特殊功能接口的扩展等。对对于于单单片片微微机机系系统统扩扩展展的的方方法法有有并并行行扩扩展展法法和和串串行行扩扩展展法法两两种种。并并行行扩扩展展法法是是指指利利用用单单片片微微机机本本身身具具备备的的三三组组总总线线（AB、DB、CB）进进行行的的系系统统扩扩展展，早早几几年年构构成成单单片片微微机机应应用用系系统统的的扩扩展展方方法法基基本本上上都都是是并并行行的的三三总总线线扩扩展展。近近几几年年，由由于于集成电路设计、工艺和结构的发展，串行扩展法得到了很快发集成电路设计、工艺和结构的发展，串行扩展
3、法得到了很快发展展，它它利利用用SPI三三线线总总线线和和I2C双双线线总总线线进进行行串串行行系系统统扩扩展展。有有的单片微机应用系统可能同时采用并行扩展法和串行扩展法的单片微机应用系统可能同时采用并行扩展法和串行扩展法。单片微机是通过芯片的引脚进行系统扩展的。单片微机是通过芯片的引脚进行系统扩展的。80C51系系列列带带总总线线的的单单片片微微机机芯芯片片引引脚脚可可以以构构成成图图81所所示示的的三三总总线线结结构构即即地地址址总总线线（AB）数数据据总总线线（DB）和和控控制制总总线（线（CB）。具有总线的外部芯片都通过这三组总线进行扩展。）。具有总线的外部芯片都通过这三组总线进行扩展
4、。（1）地址总线（）地址总线（AB）地地址址总总线线由由单单片片微微机机P0口口提提供供低低8位位地地址址A0A7，P2口口提提供供高高8位位地地址址A8A15。P0口口是是地地址址总总线线低低8位位和和8位位数数据据总总线线复复用用口口，只只能能分分时时用用作作地地址址线线。故故P0口口输输出出的的低低8位位地地址址A0A7必必须须用锁存器锁存。用锁存器锁存。锁锁存存器器的的锁锁存存控控制制信信号号为为单单片片微微机机ALE引引脚脚输输出出的的控控制制信信号号。在在ALE的的下下降降沿沿将将P0口口输输出出的的地地址址A0A7锁锁存存。P0、P2口口在系统扩展中用做地址线后便不能作为一般在系
5、统扩展中用做地址线后便不能作为一般I/O口使用。口使用。由于地址总线宽度为由于地址总线宽度为16位，故可寻址范围为位，故可寻址范围为64KB。（2）数据总线（）数据总线（DB）数据总线由数据总线由P0口提供，用口提供，用D0D7表示。表示。P0口为三态双向口为三态双向8.1.1外部并行扩展原理外部并行扩展原理口为三态双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。所有单片口为三态双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。所有单片微机与外部交换的数据、指令、信息，除少数可直接通过微机与外部交换的数据、指令、信息，除少数可直接通过P1口口外，全部通过外，全部通过P0口传送。口传送。数据总线是并连到多个连接的
6、外围芯片的数据线上，而在数据总线是并连到多个连接的外围芯片的数据线上，而在同一时间里只能够有一个是有效的数据传送通道。哪个芯片的数同一时间里只能够有一个是有效的数据传送通道。哪个芯片的数据通道有效，则由地址线控制各个芯片的片选线来选择。据通道有效，则由地址线控制各个芯片的片选线来选择。(3)控制总线（控制总线（CB）控制总线包括片外系统扩展用控制线和片外信号对单片微机的控制总线包括片外系统扩展用控制线和片外信号对单片微机的控制线。控制线。系统扩展用控制线有系统扩展用控制线有ALE、。ALE：输输出出P0口口上上地地址址与与数数据据隔隔离离信信号号，用用于于锁锁存存P0口口输输出出的的低低8位位
7、地地址址的的控控制制线线。通通常常，ALE在在P0口口输输出出地地址址期期间间出出现现低低电电平平，用用这这个个低低电电平平信信号号的的上上升升沿沿控控制制锁锁存存器器来来锁锁存存地地址址数数据。据。：输输出出，用用于于读读片片外外程程序序存存储储器器（EPROM）中中的的数数据据。“读读”取取EPROM中数据（指令）时，不能用中数据（指令）时，不能用“”信号，而只用信号，而只用 信号。信号。：输入，用于选择片内或片外程序存储器。：输入，用于选择片内或片外程序存储器。当当0时时，只只访访问问外外部部程程序序存存储储器器。当当1时时，先先访访问问内内部部程程序序存存储储器器，内内部部程程序序存存
8、储储器器全全部部访访问问完完之之后后，再再访访问问外外部部程程序序存储器。存储器。图图84中中3/8译译码码器器74LS138已已经经使使能能，其其输输出出由由C、B、A的的状状态态决决定定，作作为为各各个个扩扩展展芯芯片片的的片片选选控控制制信信号号，加加上上芯芯片片本本身身所所具具有有的的地地址址线线共共同同决决定定每每一一个个存存储储单单元元或或I/O端端口口的的地地址址，全全地址译码的地址是唯一的。地址译码的地址是唯一的。由图分析，可以得到各芯片的最大可能地址范围如下：由图分析，可以得到各芯片的最大可能地址范围如下：#0RAM地址分配为地址分配为 0000H 1FFFH，共，共 8K。
9、(A15=A14=A13=0)#1芯片地址分配为芯片地址分配为2000H3FFFH，共，共8K。(A15=0，A14=0，A13=1)#2#2芯片地址分配为芯片地址分配为4000H5FFFH，共，共8K。(A15=0，A14=1，A13=0#3芯片地址分配为芯片地址分配为6000H7FFFH，共，共8K。(A15=0，A14=1，A13=1)#4芯片地址分配为芯片地址分配为8000H9FFFH，共，共8K。(A15=1，A14=0，A13=0)#5芯片地址分配为芯片地址分配为A000HBFFFH，共，共8K。(A15=1，A14=0，A13=1#6芯片地址分配为芯片地址分配为C000HDFFF
10、H，共，共8K。(A15=1，A14=1，A13=0)#7I/O地址分配为地址分配为E000HFFFFH，共，共8K。(A15=1，A14=1，A13=1)2 280C5180C51系列单片微机的系统并行扩展能力系列单片微机的系统并行扩展能力系列单片微机的系统并行扩展能力系列单片微机的系统并行扩展能力由由于于地地址址总总线线宽宽度度为为16位位，在在片片外外可可扩扩展展的的存存储储器器最最大大容容量量为为64KB，地地址址为为0000HFFFFH。片片外外数数据据存存储储器器与与程程序序存存储储器器的的操操作作使使用用不不同同的的指指令令和和控控制制信信号号，允允许许两两者者的的地地址址重重复
11、复，故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64KB。片片外外数数据据存存储储器器与与片片内内数数据据存存储储器器的的操操作作指指令令不不同同（片片外外RAM只只能能用用MOVX指指令令）。允允许许两两者者地地址址重重复复，亦亦即即外外部部扩扩展展数据存储器地址可从数据存储器地址可从0000H开始。开始。I/O口口扩扩展展与与片片外外数数据据存存储储器器统统一一编编址址，不不再再另另外外提提供供地地址线。址线。80C51系列单片微机的外部串行总线主要包括：系列单片微机的外部串行总线主要包括：SPI（SerialPeriPheralInterface）
12、三线总线和）三线总线和I2C两线制总线两种。两线制总线两种。SPI三线总线结构三线总线结构SPI三线总线结构是一个同步外围接口，允许三线总线结构是一个同步外围接口，允许MCU与各种与各种外围设备以串行方式进行通信。一个完整的外围设备以串行方式进行通信。一个完整的SPI系统有如下的特系统有如下的特性：性：全双工、三线同步传送；全双工、三线同步传送；主、从机工作方式；主、从机工作方式；可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位；可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位；发送完成中断标志；发送完成中断标志；写冲突保护标志。写冲突保护标志。在大多数场合，使用一个在大多数场合，使用一个MCU作为主机，控制数据
13、向一个或多个作为主机，控制数据向一个或多个从机（外围器件）的传送。一般从机（外围器件）的传送。一般SPI系统使用四个系统使用四个I/O引脚：引脚：8.1.2外部串行扩展原理外部串行扩展原理外部串行扩展原理外部串行扩展原理串行数据线（串行数据线（MISO、MOSI）主机输入从机输出数据线（主机输入从机输出数据线（MISO）和主机输出）和主机输出从机输入数据线（从机输入数据线（MOSI），用于串行数据的发送和接收。），用于串行数据的发送和接收。数据发送时先传送数据发送时先传送MSB（高位），后传送（高位），后传送LSB（低位）。（低位）。在在SPI设置为主机方式时，设置为主机方式时，MISO线是从
14、机数据输入线，线是从机数据输入线，MOSI是主机数据输出线；在是主机数据输出线；在SPI设置为从机方式时，设置为从机方式时，MISO线是从机数据输出线，线是从机数据输出线，MOSI是从机数据输入线。是从机数据输入线。串行时钟线（串行时钟线（SCLK）串行时钟线（串行时钟线（SCLK）用于同步从）用于同步从MISO和和MOSI引脚输入引脚输入和输出数据的传送。在和输出数据的传送。在SPI设置为主机方式时设置为主机方式时SCLK为输出；在为输出；在SPI设置为从机方式时，设置为从机方式时，SCLK为输入。为输入。在在SPI设置为主机方式时，主机启动一次传送时，自动在设置为主机方式时，主机启动一次传
15、送时，自动在SCLK脚产生脚产生8个时钟周期。主机和从机个时钟周期。主机和从机SPI器件中在器件中在SCLK信信号的一个跳变时进行数据移位，数据稳定后的另一个跳变时进行号的一个跳变时进行数据移位，数据稳定后的另一个跳变时进行采样。采样。对于一个完整的对于一个完整的SPI系统，串行数据和串行时钟之间有四系统，串行数据和串行时钟之间有四种极性和相位关系，如种极性和相位关系，如图图85所示，以适应不同的外围器件特所示，以适应不同的外围器件特性。主机和从机器件之间的传送定时关系必须相同。性。主机和从机器件之间的传送定时关系必须相同。从机选择（从机选择（）在在从从机机方方式式时时，脚脚是是输输入入端端，
16、用用于于使使能能SPI从从机机进进行行数数据据传送；在主机方式时，传送；在主机方式时，一般由外部置为高电平。一般由外部置为高电平。通通过过SPI可可以以扩扩展展各各种种I/O功功能能，包包括括：AD、DA、实实时时钟、时时钟、RAM、EEPROM及并行输入输出接口等。及并行输入输出接口等。在把在把SPI与一片或几片串行扩展芯片相连时，只需把与一片或几片串行扩展芯片相连时，只需把SPI的的SCLK、MOSI及及MISO三根线同名端相连即可。对于有些三根线同名端相连即可。对于有些I/O扩展芯片，扩展芯片，它们有它们有端。这时，这些片选输入端一般有同步串行通信的功能。端。这时，这些片选输入端一般有同
17、步串行通信的功能。无效时，为复位芯片的串行接口；有效时，初始化串行传送。有无效时，为复位芯片的串行接口；有效时，初始化串行传送。有些芯片的些芯片的端，将其上从低到高的跳变当做把移位数据打入并端，将其上从低到高的跳变当做把移位数据打入并行寄存器或操作启动的脉冲信号。因此，对于这些芯片，应该用行寄存器或操作启动的脉冲信号。因此，对于这些芯片，应该用一根一根I/O口线来控制它们的口线来控制它们的片选端。片选端。若若80C51的串行通信口已经被占用，则可以用通用的串行通信口已经被占用，则可以用通用I/O口来口来模拟模拟SPI串行接口，用软件来模拟仿真串行接口，用软件来模拟仿真SPI操作操作I I2 2
18、C(IntelICBUS)C(IntelICBUS)公用双总线结构公用双总线结构公用双总线结构公用双总线结构使用两根信号线（使用两根信号线（SDA和和SCL）串行的方法进行信息传送，）串行的方法进行信息传送，并允许若干兼容器件共享的双线总线，称为并允许若干兼容器件共享的双线总线，称为12C总线。总线。12C总线系总线系统的示意图见统的示意图见图图86。SDA：称为串行数据线，用于传输双向的数据。：称为串行数据线，用于传输双向的数据。SCL：称称为为串串行行时时钟钟线线，用用于于传传输输时时钟钟信信号号，在在传传输输时时用用来同步串行数据线上的数据。来同步串行数据线上的数据。I2C总线上的器件总
19、线上的器件SDA和和SCL引脚都是开漏结构，都需通引脚都是开漏结构，都需通过电阻与电源连接。在过电阻与电源连接。在I2C总线系统中的所有器件的总线系统中的所有器件的SDA引脚、引脚、SCL引脚也都同名端连接在一起。引脚也都同名端连接在一起。挂接在挂接在I2C总线上的器件（或总线上的器件（或IC），根据其功能可分为两），根据其功能可分为两种：主控器件和从控器件。种：主控器件和从控器件。主控器件：控制总线存取，产生串行时钟（主控器件：控制总线存取，产生串行时钟（SCL）信号，）信号，并产生启动传送及结束传送的器件，总线必须由一个主控器件控并产生启动传送及结束传送的器件，总线必须由一个主控器件控制。
20、主控器件一般称主器件。制。主控器件一般称主器件。从控器件：在总线上被主控器件寻址的器件，它们根据主从控器件：在总线上被主控器件寻址的器件，它们根据主控器件的命令来接收和发送数据。从控器件一般称从器件。控器件的命令来接收和发送数据。从控器件一般称从器件。在由若干器件所组成的在由若干器件所组成的I2C总线系统中，可能存在多个主总线系统中，可能存在多个主器件。因此，器件。因此，I2C总线系统是一允许多主的系统。对于系统中的总线系统是一允许多主的系统。对于系统中的某一器件来说，有四种可能的工作方式：主发送方式、主接收某一器件来说，有四种可能的工作方式：主发送方式、主接收式、从发送方式和从接收方式。式、
21、从发送方式和从接收方式。据此定义以下总线条件：据此定义以下总线条件：总线不忙总线不忙串行时钟线（串行时钟线（SCL）和串行数据线（）和串行数据线（SDA）保持高电平。）保持高电平。开始数据传送开始数据传送在串行时钟线（在串行时钟线（SCL）保持高电平的情况下，串行数据线）保持高电平的情况下，串行数据线（SDA）上发生一个由高电平到低电平的变化作为起始信号）上发生一个由高电平到低电平的变化作为起始信号（START），启动），启动I2C总线。总线。I2C总线所有命令必须在起始信号以总线所有命令必须在起始信号以后进行。后进行。停止数据传送停止数据传送在在串串行行时时钟钟线线（SCL）保保持持高高电电
22、平平的的情情况况下下，串串行行数数据据线线（SDA）上上发发生生一一个个由由低低电电平平到到高高电电平平的的变变化化，称称为为停停止止信信号号（STOP）。这时将停止）。这时将停止I2C总线上的数据传送。总线上的数据传送。数据有效性数据有效性在在开开始始信信号号以以后后，串串行行时时钟钟线线（SCL）保保持持高高电电平平的的周周期期期期间间，当当串串行行数数据据线线（SDA）稳稳定定时时串串行行数数据据线线的的状状态态表表示示数数据线是有效的。需要一个时钟脉冲。据线是有效的。需要一个时钟脉冲。每每次次数数据据传传送送在在起起始始信信号号（START）下下启启动动，在在停停止止信信号号（STOP
23、）下结束。）下结束。在在I2C总总线线上上数数据据传传送送方方式式有有两两种种，主主发发送送到到从从接接收收和和从从发发送送到到主主接接收收。它它们们由由起起始始信信号号（START）后后的的第第一一个个字字节节的的最最低低位（即方向位位（即方向位RW）决定。）决定。I2C总线主要功能有：总线主要功能有：在主控器件和从控器件之间双向传送数据；在主控器件和从控器件之间双向传送数据；无中央主控器件的多主总线；无中央主控器件的多主总线；多主传送时，不发生错误；多主传送时，不发生错误；可以使用不同的位速率；可以使用不同的位速率；串行时钟作为交接信号；串行时钟作为交接信号；在有在有I2C总线的单片微机总
24、线的单片微机(如飞利浦如飞利浦80C552)中，可以直接用中，可以直接用I2C总线来进行系统的串行扩展；对于总线来进行系统的串行扩展；对于80C51系列单片微机，大多系列单片微机，大多数没有数没有I2C总线接口功能，而是采用软件模拟双向数据传送协议的总线接口功能，而是采用软件模拟双向数据传送协议的方法，来实现系统的串行扩展。方法，来实现系统的串行扩展。在单片微机应用系统中，单主结构占绝大多数。在单主系在单片微机应用系统中，单主结构占绝大多数。在单主系统中，统中，I2C总线的数据传送状态要简单得多，不存在总线竟争与同总线的数据传送状态要简单得多，不存在总线竟争与同步问题，只有作为主器件的单片微机
25、对步问题，只有作为主器件的单片微机对I2C总线器件的读写操作，总线器件的读写操作，这就简化了模拟软件的设计工作。实际上，已有这就简化了模拟软件的设计工作。实际上，已有I2C总线的软件包总线的软件包可调用。可调用。SPI和和I2C总线使用时各有所长。总线使用时各有所长。二线产品用于要求二线产品用于要求I2C总线、抗噪声性能、微控制器的总线、抗噪声性能、微控制器的I/O口线受限制的场合，或要求一条指令将多个字节存入写缓冲器的口线受限制的场合，或要求一条指令将多个字节存入写缓冲器的场合。场合。三线总线三线总线SPI规程适用于高时钟频率要求，或规程适用于高时钟频率要求，或I6位数据宽位数据宽度的应用场
26、合。度的应用场合。二种串行通信总线都采用单电源二种串行通信总线都采用单电源(255V)供电，都具有供电，都具有低电流、低功耗、价格低廉等特点。二种串行通信总线的性能差低电流、低功耗、价格低廉等特点。二种串行通信总线的性能差异见异见表表81。8.2程序存储器的扩展程序存储器的扩展1.程序存储器扩展时的总线功能和操作时序程序存储器扩展时的总线功能和操作时序为片外程序存储器读选择信号。正常运行时，该引为片外程序存储器读选择信号。正常运行时，该引脚不能浮空。脚不能浮空。根据连接电平的不同，单片微机有两种取指过程：根据连接电平的不同，单片微机有两种取指过程：当当l时，时，80C51单片微机所有片内程序存
27、储器有效。单片微机所有片内程序存储器有效。当当程程序序计计数数器器PC运运行行于于片片内内程程序序存存储储器器的的寻寻址址范范围围内内（对对80C5187C5189C51为为0000H0FFFH，共共4KB；对对80C5287C5289C52为为0000H1FFFH，共共8KB）时时，P0口口、P2口口及及线线没没有有信信号号输输出出；当当程程序序计计数数器器PC的的值值超超出出上上述述范范围围后后，P0口、口、P2口及口及PSEN线才有信号输出。线才有信号输出。80C51访问片外程序存储器时，使用如下的信号：访问片外程序存储器时，使用如下的信号：P0口：分时输出程序存储器的低口：分时输出程序
28、存储器的低8位地址和位地址和8位数据。位数据。ALE：输输出出，在在ALE的的下下降降沿沿时时，P0口口上上出出现现稳稳定定的的程程序序存储器的低存储器的低8位地址，用位地址，用ALE信号锁存这低信号锁存这低8位地址。位地址。P2口：在整个取指周期中，输出稳定的程序存储器的高口：在整个取指周期中，输出稳定的程序存储器的高8位地址。位地址。线：输出，低电平有效。在线：输出，低电平有效。在ALE的下降沿之后，的下降沿之后，由高变为低，此时片外程序存储器的内容（指令字）送由高变为低，此时片外程序存储器的内容（指令字）送到到P0口，而后在口，而后在的上升沿将指令字送入指令寄存器。因的上升沿将指令字送入
29、指令寄存器。因而，而，信号作为片外程序存储器的信号作为片外程序存储器的“读读”选通信号。选通信号。（2）当）当0时，时，80C51单片微机所有片内程序存储器单片微机所有片内程序存储器无效，只能访问片外程序存储器。伴随着单片微机复位，无效，只能访问片外程序存储器。伴随着单片微机复位，P0口、口、P2口及口及线均有信号输出。线均有信号输出。单片微机片外程序存储器取指操作的时序如单片微机片外程序存储器取指操作的时序如图图87所示。所示。2扩展片外程序存储器的硬件电路扩展片外程序存储器的硬件电路 80C51的的片片内内程程序序存存储储器器容容量量越越来来越越大大，如如89C5887C58的的片片内内程
30、程序序存存储储器器的的容容量量高高达达32K8位位，甚甚至至为为64K8位位。而而且且价价格格也也大大大大降降低低。因因此此，程程序序存存储储器器的的扩扩展展已已不不是是必必须的了。这里，仅作为一种技术来加以介绍。须的了。这里，仅作为一种技术来加以介绍。通常只需要扩展一片或两片通常只需要扩展一片或两片EPROM芯片就足够。常用芯片就足够。常用EPROM芯片的管脚见芯片的管脚见图图88。例：扩展例：扩展16K*8位片外程序存储器位片外程序存储器如如图图89所示。在电路中所示。在电路中是接高电平的。是接高电平的。27128A是是16K容量的容量的EPROM，所以用到了，所以用到了14根地址线根地址
31、线A0A13。系统。系统中只扩展了一片程序存储器，所以中只扩展了一片程序存储器，所以27128A的片选端可直接接的片选端可直接接地，一直有效。地，一直有效。8.3数据存储器的扩展数据存储器的扩展常常用用的的数数据据存存储储器器有有动动态态RAM和和静静态态RAM，有有并并行行RAM和串行和串行RAM。片外数据存储器扩展时的总线功能和读、写操作时序片外数据存储器扩展时的总线功能和读、写操作时序80C51单单片片微微机机，对对片片外外数数据据存存储储器器读读、写写操操作作的的指指令令有有以下四条：以下四条：MOVXA，Ri；片外片外RAM（A），读（），读（）操作）操作MOVXRi，A；（；（A）
32、片外片外RAM，写（，写（）操作）操作这这组组指指令令由由于于Ri只只能能提提供供8位位地地址址，因因此此，仅仅能能扩扩展展256个个字字节节的片外的片外RAM。MOVXA，DPTR；片外；片外RAM（A），读操作），读操作MOVXDPTR，A；（；（A）片外片外RAM，写操作写操作这这组组指指令令由由于于DPTR能能提提供供16位位地地址址，因因此此，可可以以扩扩展展64KB的片外的片外RAM。这四条指令都是双机器周期指令。这四条指令都是双机器周期指令。“MOVXA，DPTR”和和“MOVXDPTR，A”的的操操作作时序示于时序示于图图810。从从图图中中可可以以看看出出，执执行行该该组组指
33、指令令时时，机机器器周周期期1为为取取指指周周期期，在在取取指指周周期期的的S5状状态态时时，ALE的的下下降降沿沿，在在P0总总线线上上出出现现的的是是数数据据存存储储器器的的低低8位位地地址址，即即DPL；在在P2口口上上出出现现的的是是数数据据存储器的高存储器的高8位地，即位地，即DPH。取指操作之后，直至机器周期取指操作之后，直至机器周期2的的S3状态之前，状态之前，一一直直维维持持高高电电平平。而而在在机机器器周周期期2的的S1与与S2状状态态之之间间的的ALE不不再出现。再出现。执执行行“MOVXA，DPTR”时时，从从机机器器周周期期2开开始始到到S3状状态态，出出现现低低电电平
34、平。此此时时允允许许将将片片外外数数据据存存储储器器的的数数据据送送上上P0口口，在在的的上上升升沿沿将将数数据据读读入入累累加加器器A。数数据据为为输输入入。执执行行“MOVXDPTR，A”时时，从从机机器器周周期期2开开始始到到S3状状态态，出出现现低低电电平平。此此时时P0口口上上将将送送出出累累加加器器A的的数数据据，在在的的上上升升沿沿将数据写入片外数据存储器中。数据为输出。将数据写入片外数据存储器中。数据为输出。总之，此时总之，此时P0口为地址、数据复用总线；口为地址、数据复用总线；P2口在机器周期口在机器周期1的的S4状态之后出现锁存的高状态之后出现锁存的高8位地址（位地址（DP
35、H）；用控制线来调动）；用控制线来调动数据总线上的数据传输方向：而数据总线上的数据传输方向：而有效时数据为输入，有效时数据为输入，有效时数据为输出。有效时数据为输出。2扩展片外数据存储器的硬件电路扩展片外数据存储器的硬件电路在在80C51的扩展系统中，片外数据存储器一般由随机存的扩展系统中，片外数据存储器一般由随机存取存储器组成，最大可扩展取存储器组成，最大可扩展64KB。图图811所示的是用两片所示的是用两片6264扩展扩展16K*8位片外数据存储器的电路。位片外数据存储器的电路。在图中，采用线选法寻址。用一根口线在图中，采用线选法寻址。用一根口线P2.7来寻址：当来寻址：当P2.7=0时，
36、访问片时，访问片(0)，地址范围为，地址范围为6000H7FFFH；当；当P2.7=l时，访问片（时，访问片（1），地址范围为），地址范围为E000HFFFFH。计计算算机机系系统统中中共共有有两两种种数数据据传传送送操操作作。一一类类是是CPU和和存存储储器器之之间间的的数数据据读读写写操操作作；另另一一类类则则是是CPU和和外外部部设设备备之之间间的的数数据据传输。传输。1单片微机为什么需要单片微机为什么需要I/O接口电路接口电路由由于于存存储储器器是是半半导导体体电电路路，与与CPU具具有有相相同同的的电电路路形形式式，数数据据信信号号也也是是相相同同的的（电电平平信信号号），能能相相互
37、互兼兼容容直直接接使使用用，因因此此存存储储器器与与CPU之之间间采采用用同同步步定定时时工工作作方方式式。它它们们之之间间只只要要在在时时序序关关系系上上能能相相互互满满足足就就可可以以正正常常工工作作。存存储储器器与与CPU之之间间的的连连接接相相当当简简单单，除除地地址址线线、数数据据线线之之外外，就就是是读读或或写写选选通通信信号号，实现起来非常方便。实现起来非常方便。但是但是CPU和外部设备之间的数据传送却十分复杂。和外部设备之间的数据传送却十分复杂。8.4I/O的扩展及应用的扩展及应用8.4.1I/O扩展概述扩展概述高速高速CPU与工作速度快慢差异很大的慢速外部设备的矛盾。与工作速
38、度快慢差异很大的慢速外部设备的矛盾。外部设备的数据信号是多种多样的。外部设备的数据信号是多种多样的。外部设备种类繁多。外部设备种类繁多。外设的数据传送有近距离的，也有远距离的。外设的数据传送有近距离的，也有远距离的。CPU必必须须在在CPU和和外外设设之之间间有有一一个个接接口口电电路路，通通过过接接口口电路对电路对CPU与外设之间的数据传送进行协调。与外设之间的数据传送进行协调。在数据的在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能：传送中，接口电路主要有如下几项功能：速度协调速度协调由由于于速速度度上上的的差差异异，使使得得数数据据的的I/O传传送送只只能能以以异异步步方方式式进进行行，
39、即即只只能能在在确确认认外外设设已已为为数数据据传传送送作作好好准准备备的的前前提提下下才才能能进进行行I/O操作。操作。三态缓冲三态缓冲数据输入时，输入设备向数据输入时，输入设备向CPU传送的数据也要通过数据总线，传送的数据也要通过数据总线，只只允允许许当当前前时时刻刻正正在在进进行行数数据据传传送送的的数数据据源源使使用用数数据据总总线线，其其它它数据源都必须与数据总线处于隔离状态。数据源都必须与数据总线处于隔离状态。数据转换数据转换有有些些外外部部设设备备需需要要使使用用接接口口电电路路进进行行数数据据信信号号的的转转换换。其其中包括：模数转换、数中包括：模数转换、数模转换、串并转换和并
40、串转换等。模转换、串并转换和并串转换等。接口与端口接口与端口本本章章讲讲述述的的接接口口特特指指计计算算机机与与外外设设之之间间在在数数据据传传送送方方面面的的联系。其功能主要是通过电路实现的。因此称之为接口电路。联系。其功能主要是通过电路实现的。因此称之为接口电路。在接口电路中应该包含有数据寄存器以保存输入输出数据、在接口电路中应该包含有数据寄存器以保存输入输出数据、状态寄存器以保存外设的状态信息、命令寄存器以保存来自状态寄存器以保存外设的状态信息、命令寄存器以保存来自C CPU的有关数据传送的控制命令。由于在数据的传送中，的有关数据传送的控制命令。由于在数据的传送中，CPUCPU需要对需要
41、对这些寄存器的状态口和保存命令的命令口寻址等，我们通常把接这些寄存器的状态口和保存命令的命令口寻址等，我们通常把接口电路中这些已编址并能进行读或写操作的寄存器称之为端口口电路中这些已编址并能进行读或写操作的寄存器称之为端口（portport）,或简称口。因此一个接口电路就对应着多个端口地址。或简称口。因此一个接口电路就对应着多个端口地址。对它们像存储单元一样进行编址。对它们像存储单元一样进行编址。数据隔离技术数据隔离技术输输入入输输出出的的数数据据都都要要通通过过系系统统的的数数据据总总线线进进行行传传送送，为为了正确地进行数据的传送，就必须解决数据总线的隔离问题。了正确地进行数据的传送，就必
42、须解决数据总线的隔离问题。对对于于输输出出设设备备的的接接口口电电路路，要要提提供供锁锁存存器器，当当允允许许接接收收输输出出数数据据时时闩闩锁锁打打开开，否否则则关关闭闭。而而对对于于输输入入设设备备的的接接口口电电路路，要使用三态缓冲电路或集电极开路门。要使用三态缓冲电路或集电极开路门。三态缓冲电路三态缓冲电路三三态态缓缓冲冲电电路路就就是是具具有有三三态态输输出出的的门门电电路路，也也称称之之为为三三态态门门（TSL）。所所谓谓三三态态，就就是是指指低低电电平平状状态态、高高电电平平状状态态和和高高阻阻抗抗三三种种状状态态。当当三三态态缓缓冲冲器器的的输输出出为为高高或或低低电电平平时时
43、，就就是是对对数数据据总总线线的的驱驱动动状状态态；当当三三态态缓缓冲冲器器的的输输出出为为高高阻阻抗抗时时，就就是是对总线的隔离状态。对总线的隔离状态。三态缓冲器的控制逻辑如三态缓冲器的控制逻辑如表表82所示。所示。对三态缓冲电路的主要性能要求有：对三态缓冲电路的主要性能要求有：速速度度快快，信信号号延延迟迟时时间间短短。例例如如典典型型三三态态缓缓冲冲器器的的延延迟迟时间只有时间只有8-13ns。较高的驱动能力。较高的驱动能力。高高阻阻抗抗时时对对数数据据总总线线不不呈呈现现负负载载，最最多多只只能能拉拉走走不不大大于于0.04mA电流。电流。集电极开路门集电极开路门集集电电极极开开路路门
44、门是是从从基基本本的的与与非非门门电电路路演演变变过过来来的的，把把集集电电极极回回路路中中的的电电阻阻除除去去，让让集集电电极极开开路路，就就得得到到了了集集电电极极开开路路门门电电路路。可可以以作作为为集集电电极极开开路路的的电电路路有有反反相相器器、与与非非门门以以及及与与或非门等。或非门等。集集电电极极开开路路器器件件的的输输出出是是低低电电平平起起作作用用，如如果果其其中中一一个个为为低低电电平平，则则总总的的输输出出即即为为低低电电平平。只只有有当当所所有有连连在在一一起起的的集集电电极极开开路路器器件件的的输输出出端端均均为为高高电电平平时时总总的的输输出出才才是是高高电电平平。
45、对对于这种逻辑关系有时也称之为于这种逻辑关系有时也称之为”线或线或”。I/O编址技术编址技术接接口口电电路路要要对对其其中中的的端端口口进进行行编编址址。对对端端口口编编址址是是为为I/O操操作作而而进进行行的的，因因此此也也称称为为I/O编编址址。常常用用的的I/O编编址址有有独独立编址方式和统一编址方式立编址方式和统一编址方式。独立编址方式独立编址方式优优点点是是I/O地地址址空空间间和和存存储储器器地地址址空空间间相相互互独独立立，但但需需要专门设置一套要专门设置一套I/O指令和控制信号，从而增加了系统的开销。指令和控制信号，从而增加了系统的开销。统一编址方式统一编址方式统统一一编编址址
46、就就是是把把系系统统中中的的I/O和和存存储储器器统统一一进进行行编编址址。在在这这种种编编址址方方式式中中，把把接接口口中中的的寄寄存存器器（端端口口）与与存存储储器器中中的的存存储储单单元元同同等等对对待待。为为此此也也把把这这种种编编址址称称之之为为存存储储器器映映像像（Memorymapped）编编址址。80C51使使用用统统一一编编址址方方式式。因因此此在在接接口口电电路路中中的的I/O编编址址也也采采用用16位位地地址址，和和存存储储单单元元的的地地址址长长度一样。度一样。I/O数据传送的控制方式数据传送的控制方式有有无无条条件件传传送送方方式式、查查询询方方式式、中中断断方方式式
47、和和直直接接存存储储器器存存取取（DMA）四种方式。在单片微机中主要使用前三种方式。）四种方式。在单片微机中主要使用前三种方式。无条件传送方式无条件传送方式无无条条件件传传送送也也称称为为同同步步程程序序传传送送。在在进进行行I/O操操作作时时，不不需需要要测测试试外外部部设设备备的的状状态态，可可以以根根据据需需要要随随时时进进行行数数据据传传送送操作。操作。程序查询方式程序查询方式查查询询方方式式又又称称之之为为有有条条件件传传送送方方式式，即即数数据据的的传传送送是是有有条条件件的的。为为了了实实现现查查询询方方式式的的数数据据输输入入输输出出传传送送，需需要要由由接接口口电电路路提提供
48、供外外设设状状态态，并并以以软软件件方方法法进进行行状状态态测测试试。因因此此这这是是一一种软硬件方法结合的数据传送方式。种软硬件方法结合的数据传送方式。程序中断方式程序中断方式当当外外设设为为数数据据传传送送作作好好准准备备之之后后，就就向向CPU发发出出中中断断请请求求，CPU响响应应中中断断请请求求之之后后，转转去去为为外外设设的的数数据据输输入入输输出出服服务务。待服务完成之后，待服务完成之后，CPU再继续执行被中断的原程序。再继续执行被中断的原程序。80C51的四个的四个8位双向口，都具有数据位双向口，都具有数据I/O操作功能。操作功能。有关有关I/O口的指令口的指令由由于于80C5
49、1采采用用统统一一编编址址方方式式，因因此此没没有有专专门门的的I/O指令。四个指令。四个I/O口均属于内部的口均属于内部的SFR。8.4.280C51单片微机单片微机I/O口直接应用口直接应用I/O口的数据传送指令口的数据传送指令向口输出数据的指令有：向口输出数据的指令有：MOV Px,AMOV Px,RnMOV Px,RiMOV Px,direct从口输入数据的指令有：从口输入数据的指令有：MOV A,PxMOV Rn,PxMOV Ri,PxMOV direct,PxI/O口的位操作指令口的位操作指令位传送指令位传送指令MOV Px.yC位清位清0指令指令CLRPx.y位置位置1指令指令S
50、ETB Px.y位取反位取反CPLPx.y位为位为1转移转移JBPx.yrel位为位为0转移转移JNBPx.yrel位为位为1转移并清零转移并清零JBCPx.yrelI/O口其它操作指令口其它操作指令由由于于I/O是是属属专专用用寄寄存存器器，因因此此凡凡直直接接寻寻址址方方式式的的指指令令，都适用于都适用于I/O口。其中有口。其中有 逻辑与指令逻辑与指令ANLPx,A逻辑和指令逻辑和指令ORLPx,A逻辑异与指令逻辑异与指令XRLPx,A加加1指令指令INCPx减减1指令指令DECPx减减1条件转移指令条件转移指令DJNZ Px,rel数值比较转移指令数值比较转移指令 CJNE A,Px,r