單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展是指單片機(jī)內(nèi)部各功能部件不能滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)要求時(shí)，在片外連接相應(yīng)的外圍芯片以滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的要求。

對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法有并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展兩種。

串行口的擴(kuò)展方法

常用的標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)內(nèi)部?jī)H含有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，具有UART的全部功能。該接口電路不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個(gè)同步移位寄存器使用。當(dāng)以此類(lèi)型單片機(jī)構(gòu)成分布式多級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，器件本身的串口資源就不夠用了。筆者在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，查閱了有關(guān)資料，總結(jié)出如下兩種常用而有效的串行通道擴(kuò)展方法。

2.1 基于SP2538的擴(kuò)展方法

SP2538是專(zhuān)用低功耗串行口擴(kuò)展芯片，該芯片主要是為解決當(dāng)前基于UART串口通信的外圍智能模塊及器件較多，而單片機(jī)或DSP原有的UART串口又過(guò)少的問(wèn)題而推出的。利用該器件可將現(xiàn)有單片機(jī)或DSP的單串口擴(kuò)展至5個(gè)全雙工串口。使用方法簡(jiǎn)單、高效。

在應(yīng)用SP2538擴(kuò)展串行通道時(shí)，母串口波特率K1=2880*Fosc_in，單位是MHz，且Fosc_in小于20.0MHz， 在SP2538輸入時(shí)鐘Fosc_in =20.0MHz時(shí)母串口可自適應(yīng)上位機(jī)的56000bps和57600bps兩種標(biāo)準(zhǔn)波特率輸入。子串口波特率K2=480*Fosc_in。

母串口和所有子串口都是TTL電平接口，可直接匹配其他單片機(jī)或TTL數(shù)字電路，如需連接PC機(jī)則必須增加電平轉(zhuǎn)換芯片如MAX202 、MAX232 等。SP2538具有內(nèi)置的上電復(fù)位電路和可關(guān)閉的看門(mén)狗監(jiān)控電路。上位機(jī)寫(xiě)命令字0x10可實(shí)現(xiàn)喂狗，寫(xiě)命令字0x15關(guān)閉看門(mén)狗，初次上電后看門(mén)狗處于激活狀態(tài)或?qū)懨钭?x20激活看門(mén)狗監(jiān)控功能。上位機(jī)可通過(guò)芯片復(fù)位指令0x35在任何時(shí)候讓芯片進(jìn)行指令復(fù)位，也可通過(guò)芯片睡眠指令0x55在任何時(shí)候讓芯片進(jìn)入微功耗睡眠模式以降低系統(tǒng)功耗。初次上電后芯片不會(huì)自行進(jìn)入睡眠模式，但只能由上位機(jī)通過(guò)母串口任意發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)將其喚醒，其他子串口不具備這一功能。

圖（1）是AT89C52單片機(jī)與SP2538的電路連接，圖中，AT89C52的全雙工串口與SP2538的母串口5相連，該串口同時(shí)也作為命令/數(shù)據(jù)口。SP2538的ADRI0、ADRI1、ADRI2分別與AT89C52的P2.3、P2.4、P2.5口相連，可用于選擇發(fā)送數(shù)據(jù)是選擇相應(yīng)的串口0~4；ADRO0、ADRO1、ADRO2與P2.0、P2.1、P2.2相連，用于判斷接收的數(shù)據(jù)來(lái)自哪一個(gè)串口。 SP2538的時(shí)鐘頻率選為20.0MHZ，此時(shí)母串口5的波特率為57600bps，串口0~4的波特率為9600bps。

下面是與上述硬件電路相關(guān)的接口程序，該程序用A51匯編語(yǔ)言編制，程序僅說(shuō)明了中斷方式下對(duì)子串口0（TX0、RX0）的操作，其它子串口類(lèi)似。

TBLOCK DATA 20H

RBLOCK DATA 30H

LENGTH DATA 14H

…

TXR_REV_SEND： CLR ES

JBC RI，RECEIVE

CLR TI

MOV A，@R0

CLR P2.0 ; 寫(xiě)數(shù)據(jù)到“SBUF”前必須先置欲發(fā)送子串口的地址

CLR P2.1

CLR P2.2

MOV SBUF，A

DJNZ R2，NEXT

SJMP $

NEXT： INC R0

RETI

RECEIVE： MOV A，P2

AND A，#31H ;判斷是否為子串口0

JNZ ELSE

MOV A，SBUF

MOV @R1，A

INC R1

RETI

圖（1） AT89C52與SP2538的電路連接

2.2 基于Intel8251的串行口擴(kuò)展方法

上面基于SP2538的串口擴(kuò)展方法可以說(shuō)是一種串行的擴(kuò)展方法，這里基于Intel8251的擴(kuò)展方法則是一種并行的方法。Intel8251是一種通用的同步/異步發(fā)送器（USART），它的工作方式可以通過(guò)編程設(shè)置。能夠以同步或異步串行通信方式工作，能自動(dòng)完成幀格式。

Intel8251具有獨(dú)立的接收/發(fā)送器。在異步方式下，用于產(chǎn)生8251內(nèi)部時(shí)序的時(shí)鐘CLK輸入至少應(yīng)為發(fā)送或接收時(shí)鐘的4.5倍。接收/發(fā)送（RXC/TXC）時(shí)鐘應(yīng)為波特率的1倍、16倍或64倍（由8251的工作方式字設(shè)定）。

圖（2）是用Intel8251擴(kuò)展一個(gè)串行通道的電路原理，圖中，11.0592MHZ晶振經(jīng)ALE6分頻后于 、組合，產(chǎn)生1.8432MHZ的時(shí)鐘頻率，分別作為8251與8253的時(shí)鐘輸入，若設(shè)定8251通信波特率為9600bps，波特率因子為16，則需要 153.6KHZ的接收/發(fā)送時(shí)鐘頻率，該頻率可由8253的OUT0產(chǎn)生。

下面的A51程序段說(shuō)明了如何設(shè)置8253使其產(chǎn)生153.6KHZ的方波，以及如何用8251收/發(fā)數(shù)據(jù)：

;設(shè)置8253的程序段：

MOV A，#36H ; 計(jì)數(shù)器0輸出方波控制字

MOV DPTR，#0FFFFH ; 指向控制字寄存器

MOVX @DPTR，A

MOV DPTR，#0FFFCH ; 指向0計(jì)數(shù)器地址

MOV A，#0DH

MOVX @DPTR，A

MOV A，#0

MOVX DPTR，A

SETB P1.0

;操作8251的程序段：

…

START： MOV DPTR，#7FFFH ;8251控制、命令口地址

MOV A，#5EH ;一個(gè)停止位，奇校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，異步*16

MOVX @DPTR，A ;寫(xiě)入方式字

MOV A，#15H

MOVX @DPTR，A ;命令字，啟動(dòng)發(fā)送和接收器

…

LOOP： SJMP LOOP ;等待8251中斷

8251_INT： ;現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)

MOV DPTR，#7FFFH

MOV A，@DPTR

JB ACC.0，TX_INT

JB ACC.1，RX_INT

INT_EXIT： ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

RETI

;發(fā)送數(shù)據(jù)

TX_INT： MOV DPTR，#7FFEH ;8251數(shù)據(jù)口地址

MOV A，20H

MOVX @DPTR，A

…

AJMP INT_EXIT

;接收數(shù)據(jù)

RX_INT： MOV DPTR，#7FFEH

MOVX A，@DPTR

MOV 30H，A

…

AJMP INI_EXIT

圖（2）用8251擴(kuò)展串行通道的硬件電路原理

并行擴(kuò)展是指利用單片機(jī)三組總線(xiàn)（AB，DB，CB）進(jìn)行的系統(tǒng)擴(kuò)展。

串行擴(kuò)展是指利用SPI（Serial Peripheral Interface）三線(xiàn)總線(xiàn)和I2C雙總線(xiàn)的串行系統(tǒng)擴(kuò)展。

1，外部并行擴(kuò)展

單片機(jī)是通過(guò)芯片的引腳進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求，MCS-51系列單片機(jī)芯片引腳可以構(gòu)成可以構(gòu)成下圖所示的三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，單片機(jī)所有的外部芯片都是通過(guò)這三組總線(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)展。

2，外部串行擴(kuò)展

串行擴(kuò)展包括SPI三線(xiàn)總線(xiàn)和I2C雙總線(xiàn)兩種。在單片機(jī)內(nèi)不具有串行總線(xiàn)時(shí)，可利用兩根或三根I/O口線(xiàn)用軟件來(lái)虛擬串行總線(xiàn)的功能。下圖所示：

P2

ALE

P0

WR

RD

PSEN

EA

RESET

MCS-51

地址鎖存器

A8-A15

A0-A7

地址總線(xiàn)

D0-D7

數(shù)據(jù)總線(xiàn)

控制總線(xiàn)

MCS-51單片機(jī)的三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

4.1單片機(jī)三總線(xiàn)的形成（外部并行擴(kuò)展）

有I2C接口的主機(jī)

有I2C接口的RAM或I/O芯片

有I2C接口

的從機(jī)

SCL

SDL

Vcc

Rf

Rf

I2C總線(xiàn)

I2C 總線(xiàn)系統(tǒng)示意圖

AB，DB，CB 各自的作用

（AB，DB，CB）三組總線(xiàn)稱(chēng)為系統(tǒng)總線(xiàn)。

系統(tǒng)總線(xiàn)的含義是指計(jì)算機(jī)各芯片之間的公共連線(xiàn)。總線(xiàn)的根數(shù)（位數(shù)）稱(chēng)為總線(xiàn)寬度。

地址總線(xiàn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)外部有存儲(chǔ)器或接口芯片，其中都有存儲(chǔ)單元或寄存器單元，這些單元地位平等，需要被分配地址編號(hào)才能予以區(qū)分，分配地址當(dāng)然也是以電信號(hào)形式給出，由于存儲(chǔ)器的容量很大，所以用于分配地址的線(xiàn)也較多，這些線(xiàn)被稱(chēng)為地址線(xiàn)總線(xiàn).51單片機(jī)的地址總線(xiàn)AB（address bus）為16位，可尋址216 （64K）存儲(chǔ)空間

數(shù)據(jù)總線(xiàn)：起著在CPU和存儲(chǔ)器或外圍接口電路之間傳遞數(shù)據(jù)的作用。我們常說(shuō)的8位機(jī)，16位機(jī)，32位機(jī)，是說(shuō)CPU的外數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB ）（data bus） ）寬度（位數(shù)）。

控制總線(xiàn)：通常包括時(shí)序信號(hào)（時(shí)鐘，定時(shí)，應(yīng)答），數(shù)據(jù)傳送控制（如存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)，IO設(shè)備的讀寫(xiě)）信號(hào)，中斷的請(qǐng)求和響應(yīng)，總線(xiàn)請(qǐng)求，復(fù)位等信號(hào)，控制總線(xiàn)CB（control bus）隨CPU的不同而各具特色。

單片機(jī)的擴(kuò)展

MCS-51單片機(jī)本身是一個(gè)基本的微型計(jì)算機(jī)，內(nèi)部已經(jīng) 具有一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元和I/O接口，但在內(nèi)部的資源不能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要時(shí)，就需要進(jìn)行資源的擴(kuò)展，單片機(jī)的擴(kuò)展主要包括以下

兩方面的內(nèi)容：

存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

I/O接口的擴(kuò)展

注： MCS-51系列的單片機(jī)在進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，需要把P0口和P2口作為擴(kuò)展總線(xiàn)使用，不能夠再作為一般的I/O口使用。

存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

在單片機(jī)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器的擴(kuò)展包括：

程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器數(shù)量越來(lái)越大，在一般的單片機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)于程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展已經(jīng)使用的比較少。但對(duì)于一些比較早的片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)（8031，8032），在使用時(shí)還需要進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。

但建議用戶(hù)盡量避免外擴(kuò)ROM，51系列單片機(jī)1000多種型號(hào)，一定可以找到內(nèi)部ROM容量符合要求的單片機(jī)。即便是單片機(jī)略微貴點(diǎn)也值得。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

在MCS-51系列單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中，內(nèi)部RAM的數(shù)量比較有限（128B或256B），在面對(duì)大容量的數(shù)據(jù)處理時(shí)，就需要進(jìn)行RAM的擴(kuò)展。

程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展

常用的外部程序存儲(chǔ)器：

EPROM（紫外線(xiàn)可擦除）

常用的EPROM以27xx系列為主。

EEPROM（電可擦除）

目前的EEPROM分為：串行EEPROM和并行EEPROM，在使用時(shí)，常常把串行的EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。以28xx系列為主。

FlashROM（快閃電可擦除）

主要以29Cxx系列為主。

常用的EPROM芯片引腳封裝示意圖

常用的EPROM芯片引腳封裝示意圖

不同容量的EPROM只是在地址線(xiàn)的數(shù)目和編程信號(hào)引腳有一點(diǎn)區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0-Ai：地址輸入線(xiàn)，決定存儲(chǔ)器的容量;

Q0-Q7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn);

E：片選信號(hào)輸入線(xiàn);

G：讀選通輸入信號(hào)線(xiàn);

P：編程脈沖輸入線(xiàn);

VPP：編程電源輸入線(xiàn);

VCC：工作電源輸入線(xiàn)（常為+5V）;

GND/VSS：工作時(shí)接地線(xiàn)。

2817A

2864A

常用的EEPROM芯片引腳封裝示意圖

不同容量的EEPROM只是在地址線(xiàn)的數(shù)目和編程信號(hào)引腳有一點(diǎn)區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0-Ai：地址輸入線(xiàn)，決定存儲(chǔ)器的容量;

I/O0- I/O7（D0-D7）：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn);

CE：片選信號(hào)輸入線(xiàn);

OE：讀選通輸入信號(hào)線(xiàn);

WE：讀選通信號(hào)輸入線(xiàn);

VCC：工作電源輸入線(xiàn)（常為+5V）;

GND：工作時(shí)接地線(xiàn)。

29c256

29c512

常用的FlashROM芯片引腳封裝示意圖

2.程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)例

MCS-51單片機(jī)與27256芯片的接口。

利用EPROM擴(kuò)展一個(gè)存儲(chǔ)容量為32KB的程序存儲(chǔ)器

MCS-51單片機(jī)與2864芯片的接口。

由于2864不僅可以存放程序也可以在線(xiàn)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，可通過(guò)一定的方式來(lái)擴(kuò)展一個(gè)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一體的存儲(chǔ)空間，其容量為8KB.

MCS-51單片機(jī)與27256芯片的接口

27256的基本地址范圍：0000H—7FFFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

27256的DQ1-DQ8

PSEN接OE

CE接地

P2連接

27256的A8-A14

MCS-51單片機(jī)與2864芯片的接口

2864的基本地址范圍：0000H—1FFFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

27256的DQ1-DQ8

P2連接

27256的A8-A12

PSEN和RD相與接OE，WR接WE，CE接P2.7

讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)序

ALE

PSEN

注意：上述時(shí)序是在取指令過(guò)程中自動(dòng)產(chǎn)生

一個(gè)機(jī)器周期

送地址

取出指令

程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)例思考：

MCS-51單片機(jī)與27256芯片的接口中，為什么片選信號(hào)可以直接接地 它的地址范圍還可以是多少

MCS-51單片機(jī)與2864芯片的接口中，EEPROM可以在線(xiàn)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，它能否像寫(xiě)RAM一樣寫(xiě)入 它的地址范圍還可以是多少

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：

靜態(tài)RAM

靜態(tài)RAM在應(yīng)用時(shí)存取速度快，使用方便并且價(jià)格比較的低廉。但它具有在掉電時(shí)，內(nèi)部的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。典型的有6116，6264，62256等芯片。為了避免掉電數(shù)據(jù)丟失，出現(xiàn)了自動(dòng)保護(hù)的靜態(tài)RAM，如：DS1225，DS1235.

串行EEPROM

串行EEPROM的與并行的EEPROM特性一樣，只是在數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)使用串行方式。常用的有24Cxx系列（I2C接口）和X25系列（SPI接口）的串行EEPROM.

一，靜態(tài)RAM

不同容量的靜態(tài)RAM只是在地址線(xiàn)的數(shù)目和編程信號(hào)引腳有一點(diǎn)區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0-Ai：地址輸入線(xiàn)，決定存儲(chǔ)器的容量;

I/O0-I/O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn);

CE：片選信號(hào)輸入線(xiàn);

OE：讀選通輸入信號(hào)線(xiàn);

WE：寫(xiě)選通輸入信號(hào);

VPP：編程電源輸入線(xiàn);

VCC：工作電源輸入線(xiàn)（常為+5V）;

GND：工作時(shí)接地線(xiàn)。

6264

62256

常用的靜態(tài)RAM芯片引腳封裝示意圖

二，串行ROM

不同容量的串行ROM存儲(chǔ)容量上有區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0，A1，A2：芯片的地址輸入線(xiàn);

SDA：串行數(shù)據(jù)輸入端;

SCL：串行時(shí)鐘輸入端;

RESET：復(fù)位信號(hào)輸入;

WP：寫(xiě)保護(hù)輸入端，為低電平時(shí)不允許寫(xiě)數(shù)據(jù);

SCK：串行時(shí)鐘輸入端;

SI：串行數(shù)據(jù)輸入端;

VCC：工作電源輸入線(xiàn)（常為+5V）;

GND：工作時(shí)接地線(xiàn)。

AT24CXX和X25043的芯片引腳封裝示

意圖封裝

AT24Cxx

X25043

三，利用6116擴(kuò)展一個(gè)2KB的

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

在利用6116對(duì)MCS-51系列的單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，基本的連接為：

OE與RD控制相連;

WE與WR控制相連;

CE與P2.7相連;

A0-A7與鎖存器74LS373的Q0-Q7相連;

A8-A10分別與P2.0-P2.2相連;

6116的基本地址范圍：0000H—07FFH.

MCS-51單片機(jī)與6116芯片的接口

6116的基本地址范圍：0000H—07FFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

6116的DQ1-DQ8

OE接RD

WR接WD

P2連接片選和

6116的A8-A10

四，利用DS1235擴(kuò)展一個(gè)32KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

在利用DS1235對(duì)MCS-51系列的單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，基本的連接為：

OE與RD控制相連;

WE與WR控制相連;

CE與P2.7相連;

A0-A7與鎖存器74LS373的Q0-Q7相連;

A8-A14分別與P2.0-P2.6相連;

DS1235的基本地址范圍：0000H—7FFFH.

MCS-51單片機(jī)與DS1235芯片的接口

DS1235的基本地址范圍：0000H—7FFFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

DS1235的DQ1-DQ8

OE接RD

WR接WD

P2連接片選和

DS1235的A8-A14

DS1235數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的操作方法

例1：從DS1235的地址單元2000H讀取數(shù)據(jù)到累加器ACC中。

例2：從累加器ACC向DS1235的地址為2000H的單元寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)方法1

READB： MOV DPTR，#2000H

MOVX A，@DPTR

讀取數(shù)據(jù)方法2

READB： MOV P2，#20H

MOV R0，#00H

MOVX A，@R0

寫(xiě)入方法1

WRITE： MOV DPTR，#2000H

MOVX @DPTR，A

寫(xiě)入方法2

WRITE： MOV P2，#20H

MOV R0，#00H

MOVX @R0，A

P2口的地址由單片機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生

P2口的地址由P2口以I/O方式產(chǎn)生

P2口的地址由單片機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生

P2口的地址由P2口以I/O方式產(chǎn)生

讀/寫(xiě)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)序

PSEN

一個(gè)機(jī)器周期

ALE

一個(gè)機(jī)器周期

RD/WR

訪(fǎng)問(wèn)ROM，取出MOVX指令

訪(fǎng)問(wèn)RAM讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)

送地址