單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì).ppt

1,第8章 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì),系統(tǒng)接口技術(shù)概述 存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù) 輸入輸出（I/O）和中斷擴(kuò)展技術(shù),返回,2,單片機(jī)與片外并行器件接口設(shè)計(jì)有兩個(gè)任務(wù)：硬件電路連接和軟件編程 硬件接口就是解決三種總線的連接： 1）數(shù)據(jù)總線：片外器件的數(shù)據(jù)總線寬度不超過(guò)8位時(shí)，直接與單片機(jī)相連即可；大于8位時(shí)，需要分時(shí)來(lái)存取。 2）地址總線：先對(duì)片外器件分配地址，然后進(jìn)行相應(yīng)的硬件連接。 3）控制總線：根據(jù)片外器件工作的定時(shí)邏輯，利用單片機(jī)控制信號(hào)以及與I/O口線的組合，完成對(duì)器件的控制和讀寫(xiě)操作。,返回,MCS-51單片機(jī)并行接口基本方法,ALE,PSEN,EA,RD、WR,3,（1）地址總線（AB） 1.地址總線由單片微機(jī)P0口提供 低8位地址A0A7 2.P2口提供高8位地址A8A15。 3.P0口是地址總線低8位和8位數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，只能分時(shí)用作地址線。 4.P0口輸出的低8位地址A0A7必須用鎖存器鎖存。 鎖存器的鎖存控制信號(hào)為單片微機(jī)ALE引腳輸出的控制信號(hào)。在ALE的下降沿將P0口輸出的地址A0A7鎖存。 5.P0、P2口在系統(tǒng)擴(kuò)展中用做地址線后便不能作為一般I/O口使用。 6.由于地址總線寬度為16位，故可尋址范圍為64 KB。,4,（2）數(shù)據(jù)總線（DB） 1.數(shù)據(jù)總線由P0口提供，用D0D7表示。 2.P0口為三態(tài)雙向口，是應(yīng)用系統(tǒng)中使用最為頻繁的通道。所有單片微機(jī)與外部交換的數(shù)據(jù)、指令、信息，除少數(shù)可直接通過(guò)P1口外，全部通過(guò)P0口傳送。 3.數(shù)據(jù)總線是并連到多個(gè)連接的外圍芯片的數(shù)據(jù)線上，而在同一時(shí)間里只能夠有一個(gè)是有效的數(shù)據(jù)傳送通道。哪個(gè)芯片的數(shù)據(jù)通道有效，則由地址線控制各個(gè)芯片的片選線來(lái)選擇。,5,80C51系列單片微機(jī)的三總線結(jié)構(gòu),6,單片機(jī)控制信號(hào)線 ALE輸出，地址鎖存，鎖存P0口輸出的低8位地址信號(hào) PSEN 輸出， 程序存儲(chǔ)器選通允許 EA 輸入，外部訪問(wèn)，選擇片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器 RD、WR 輸出，讀/寫(xiě)，用于訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制,7,常用的串行總線有 Motorola公司的SPI（Serial Peripheral Interface）總線 Philips公司的I2C（Inter-Integrated Circuit） National Semiconductor公司的MICROWIRE總線 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN（Controller Area Network）總線等。,串行總線的類(lèi)型,返回,8,SPI總線接口,返回,SPI三線總線結(jié)構(gòu)是一個(gè)同步外圍接口，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信 。 全雙工、三線同步傳送； 主、從機(jī)工作方式； 可程控的主機(jī)位傳送頻率、時(shí)鐘極性和相位； 發(fā)送完成中斷標(biāo)志； 寫(xiě)沖突保護(hù)標(biāo)志。 按要求連接SCLK、MOSI/MISO、SS三根線，即可通過(guò)SPI擴(kuò)展各種I/O功能,9,串行數(shù)據(jù)線（MISO、MOSI） 1.主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）和主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI），用于串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。 2.數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)先傳送MSB（高位），后傳送LSB（低位）。 3.在SPI設(shè)置為主機(jī)方式時(shí)，MISO線是從機(jī)數(shù)據(jù)輸入線，MOSI是主機(jī)數(shù)據(jù)輸出線； 4.在SPI設(shè)置為從機(jī)方式時(shí)，MISO線是從機(jī)數(shù)據(jù)輸出線，MOSI是從機(jī)數(shù)據(jù)輸入線。,SPI總線引腳描述,10,串行時(shí)鐘線（SCLK） 1. 用于同步從MISO和MOSI引腳輸入和輸出數(shù)據(jù)的傳送。 2.在SPI設(shè)置為主機(jī)方式時(shí)SCLK為輸出； 3.在SPI設(shè)置為從機(jī)方式時(shí)，SCLK為輸入。 4. 在SPI設(shè)置為主機(jī)方式時(shí)，主機(jī)啟動(dòng)一次傳送時(shí)，自動(dòng)在SCLK腳產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘周期。主機(jī)和從機(jī)SPI器件中在SCLK信號(hào)的一個(gè)跳變時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)移位，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后的另一個(gè)跳變時(shí)進(jìn)行采樣。,11,從機(jī)選擇輸入（SS） 1. 在從機(jī)方式時(shí)，輸入端，用于使能SPI從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送； 2.在主機(jī)方式時(shí)， 一般由外部置為高電平。 3.通過(guò)SPI可以擴(kuò)展各種I/O功能，包括：AD、DA、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、RAM、EEPROM及并行輸入輸出接口等。,12,單片機(jī)的SPI總線接口,利用單片機(jī)方式0實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的SPI同步串行通信功能，RXD（P3.1）作為MOSI/MISO，TXD（P3.0）作為SCLK 特點(diǎn)： 1.SCLK極性和相位關(guān)系固定，傳送速率固定，不能編程改變 2.無(wú)從機(jī)選擇輸入（SS）端 3.輸入輸出同一條線用軟件設(shè)置數(shù)據(jù)傳送方向 4.傳送數(shù)據(jù)位的順序先低位，后高位。,13,I2C總線接口,返回,1. I2C總線是兩線協(xié)議，在器件之間使用兩根信號(hào)線（SDA和SCL）進(jìn)行信息串行傳送，并允許若干兼容器件共享。 2.SDA線稱(chēng)為串行數(shù)據(jù)線，傳輸雙向的數(shù)據(jù)；SCL線稱(chēng)為串行時(shí)鐘線，傳輸時(shí)鐘信號(hào)，用來(lái)同步串行數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)。 3.I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)100kb/s以上 。,14,I2C總線,返回,開(kāi)漏結(jié)構(gòu),15,掛接在I2C 總線上的器件，根據(jù)其功能可分為兩種： 主控器件和從控器件。 主控器件：控制總線存取，產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）信號(hào)，并產(chǎn)生啟動(dòng)傳送及結(jié)束傳送的器件，總線必須由一個(gè)主控器件控制。主控器件一般稱(chēng)主器件。 從控器件：在總線上被主控器件尋址的器件，它們根據(jù)主控器件的命令來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。從控器件一般稱(chēng)從器件。 在由若干器件所組成的I2C 總線系統(tǒng)中，可能存在多個(gè)主器件。因此，I2C 總線系統(tǒng)是一允許多主的系統(tǒng)。 系統(tǒng)中的某一器件來(lái)說(shuō)，有四種可能的工作方式： 主發(fā)送方式、主接收式、從發(fā)送方式和從接收方式。,16,I2C總線實(shí)現(xiàn)的主要功能,返回,在主控器件和從控器件之間雙向傳送數(shù)據(jù)； 構(gòu)成無(wú)中央主控器件的多主總線； 多主傳送時(shí)，不發(fā)生錯(cuò)誤； 數(shù)據(jù)傳送可以使用不同的位速率； 串行時(shí)鐘作為交接信號(hào)。,17,主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開(kāi)放傳送的器件，此時(shí)被尋址的器件為從器件。 當(dāng)總線空閑時(shí)，SDA和SCL均為高電平。僅在總線空閑時(shí)，才能開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。 每次數(shù)據(jù)傳送由起始信號(hào)啟動(dòng)，由停止信號(hào)終止,I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,返回,總線不忙,開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送,停止數(shù)據(jù)傳送,18,總線上傳送的數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，高位在先。 主器件發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)為從地址，其中高7位為器件地址的片選信號(hào)，最低位是決定數(shù)據(jù)傳送方向的方向位，=1表示主器件讀，=0表示寫(xiě)。 從器件每收到一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，必須返回1個(gè)低電平應(yīng)答信號(hào)（Acknowledge），表示為ACK或A=0；,I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,返回,19,主器件在收到從器件發(fā)送的每個(gè)字節(jié)之后，也必須產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。 在執(zhí)行讀操作、接收最后一個(gè)字節(jié)后，主接收器不發(fā)送ACK=0，而是發(fā)一個(gè)高電平信號(hào)，表示為NO ACK，此時(shí)，從發(fā)送器讓出SDA線，使其成為高電平，以使主器件發(fā)送停止條件。 SDA線上會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，總線競(jìng)爭(zhēng)可能在地址或數(shù)據(jù)位上進(jìn)行，總線控制完全由競(jìng)爭(zhēng)的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定。,I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,返回,20,SPI和I2C總線的比較,21,SPI和I2C總線使用時(shí)各有所長(zhǎng)。 二線產(chǎn)品用于要求I2C總線、抗噪聲性能、微控制器的I/O口線受限制的場(chǎng)合，或要求一條指令將多個(gè)字節(jié)存入寫(xiě)緩沖器的場(chǎng)合。 三線總線SPI規(guī)程適用于高時(shí)鐘頻率要求，或 I6位數(shù)據(jù)寬度的應(yīng)用場(chǎng)合。 二種串行通信總線都采用單電源(22.5V) 供電，都具有低電流、低功耗、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。,22,I2C總線可十分方便地用來(lái)構(gòu)成由單片機(jī)和外圍器件組成的單片機(jī)系統(tǒng)，器件間總線簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性好。 在集成了I2C總線的單片機(jī)中，可以直接用I2C總線來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的串行擴(kuò)展； 對(duì)于MCS-51系列單片機(jī)，大多數(shù)沒(méi)有I2C總線接口功能，可采用軟件模擬雙向數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的串行擴(kuò)展。 基于I2C總線的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單主結(jié)構(gòu)占絕大多數(shù)，沒(méi)有總線競(jìng)爭(zhēng)與同步問(wèn)題，只有作為主器件的單片機(jī)對(duì)I2C總線器件的讀/寫(xiě)操作,單片機(jī)的I2C總線接口,23,通常把半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器 1）EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）或E2PROM：電可擦除可編程ROM。 2）Flash Memory：Intel和Toshiba公司20世紀(jì)80年代首先推出的可快速擦寫(xiě)ROM。 3）BBSRAM（Battery Backed SRAM）：Dallas Semiconductor公司的電池后備供電的靜態(tài)存儲(chǔ)器，掉電后信息可保存10年。 4）FRAM（Ferroelectric RAM）：Ramtron公司研制的鐵電存儲(chǔ)器。（100億1億億次寫(xiě)）,存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù),24,1）集成度不斷提高、容量不斷增大。基于亞微米級(jí)工藝的DRAM芯片容量已達(dá)到Gbit數(shù)量級(jí)。 2）存取速度不斷提高。一般把存取時(shí)間小于35ns的存儲(chǔ)器稱(chēng)為高速存儲(chǔ)器，目前SRAM的存取時(shí)間可達(dá)到1ns。 3）低電壓和低功耗。低電壓存儲(chǔ)器采用的工作電壓有33.3V、2.5V、1.51.8V甚至低于1V。 4）存儲(chǔ)器帶有串行總線接口，可大大減少芯片間接線。,存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì),25,按照總線連接方式，MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展存儲(chǔ)器可分為并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展。 基本方法是：按照單片機(jī)和不同存儲(chǔ)器芯片的時(shí)序，來(lái)完成硬件連接和軟件編程。 存儲(chǔ)器的基本操作控制包括片選控制和讀寫(xiě)操作控制。,存儲(chǔ)器擴(kuò)展的基本方法,26,串行接口擴(kuò)展時(shí)，通常采用I/O口來(lái)選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)器，地址信息包含在串行協(xié)議中。 采用并行接口時(shí)，片選的方法有 線選法：如果芯片數(shù)較少，只需要用單片機(jī)的高位地址線分別接到各個(gè)芯片的片選端即可。這樣不需另加電路，但地址空間可能是不連續(xù)的。 譯碼選通法：在擴(kuò)展芯片數(shù)目較多或要求連續(xù)的地址空間時(shí)，采用譯碼器來(lái)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。 單片機(jī)并行擴(kuò)展時(shí)，高位地址線可能有空閑（P2口高位），但已不適宜簡(jiǎn)單地作I/O線使用。,存儲(chǔ)器片選控制,27,擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電路,28,擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器的電路,29,擴(kuò)展片外程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,30,采用串行擴(kuò)展16kB存儲(chǔ)器,利用軟件方真實(shí)現(xiàn)I2C,可掛接8片,FM24C64是采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的非易失性 高速寫(xiě)，高擦寫(xiě)次數(shù),31,對(duì)輸入/輸出口功能的擴(kuò)展，可以利用簡(jiǎn)單的TTL電路或MOS電路，也可以使用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的可編程接口芯片。 TTL電路有54系列軍品級(jí)器件、民品74LS系列；MOS中常用CMOS電路，如74HC系列。 典型的可編程接口器件是Intel公司及其兼容的接口芯片：可編程并行接口（8155、8255）、可編程通用同步/異步通信接口（8251）、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（8253）、可編程中斷控制器（8259）及可編程鍵盤(pán)顯示接口（8279）等。,并行擴(kuò)展I/O接口,32,I/O口與片外RAM統(tǒng)一編址,把擴(kuò)展的I/O口掛接在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，因而，I/O口的輸入、輸出指令也就是片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)指令。 其特點(diǎn)為：數(shù)據(jù)傳輸利用的是P0口，因此擴(kuò)展接口均是8位口，傳輸數(shù)據(jù)簡(jiǎn)便,33,利用I/O口線來(lái)選擇I/O和存儲(chǔ)器,采用此方法一般是通過(guò)MCS-51單片機(jī)P1口的I/O口線來(lái)選擇外部I/O或RAM。 雖然CPU的地址、數(shù)據(jù)和讀寫(xiě)信號(hào)對(duì)于I/O和RAM是等同的，但通過(guò)P1口線狀態(tài)的不同可以把二者區(qū)分開(kāi)來(lái)。,34,串行接口有多種總線和豐富的接口芯片，以PHILIPS公司I2C總線8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展器PCF8574為例，說(shuō)明I2C總線擴(kuò)展I/O接口的方法。,串行擴(kuò)展I/O接口,35,循環(huán)掃描程序 調(diào)開(kāi)始條件 10.調(diào)開(kāi)始 2. 設(shè)置8574讀方式 11.設(shè)置8574寫(xiě)方式 3. 調(diào)主器件發(fā)控制字節(jié) 12. 調(diào)主器件發(fā)控制字節(jié) 4. 調(diào)檢查應(yīng)答位 13. 調(diào)檢查應(yīng)答位 5.有錯(cuò)，轉(zhuǎn)處理錯(cuò) 14.有錯(cuò)，轉(zhuǎn)處理錯(cuò) 6.調(diào)讀開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù) 15.取出數(shù)據(jù)低4位 7. 暫存 16.調(diào)主器件發(fā)數(shù)據(jù)字節(jié) 8.讀結(jié)束，主器件發(fā)NOACK17.有錯(cuò)，轉(zhuǎn)處理錯(cuò) 9.調(diào)停止條件 18.調(diào)停止條件 19.循環(huán),36,當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)外部中斷源超過(guò)2個(gè)時(shí)，可以利用82C59中斷控制器來(lái)擴(kuò)展，或?qū)⑦@些外部中斷源利用OC門(mén)進(jìn)行“線或”后，接到單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求輸入端（或），就可完成擴(kuò)展。,外部中斷源的擴(kuò)展,37,例：擴(kuò)展16K *8位片外程序存儲(chǔ)器