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            深度解读MCS51单片机时序分析及系统扩展

            电子设计 ? 2021-02-20 14:32 ? 次阅读

            作者:周姝颖,林凡强,何凌霄,富饶

            AT89C51单片机ATMEL公司设计生产的与MCS51内核兼容的51系列单片机之一,该系列单片机以其优越的性能和成熟的技术在控制和自动化应用领域占有着较大的市??;除此以外,51单片机有着计算机系统中经典的总线结构,即:数据总线、地址总线和控制总线。

            1MCS51单片机系统的四要素

            1.151单片机系统的启动

            MCS51单片机上电正常工作,需具备以下四点:

            (1)电源。AT89S51系列单片机的第40引脚为VCC,外加电压5V工作电压,另外,单片机的第20引脚是GND,须连接到系统的地。

            (2)复位电路。任何处理器都需要在上电时进行自身的复位,51单片机也不例外,上电复位电路是较为简单可靠的电路之一,不可缺少。复位电路如图1所示,该图为带上电复位及手动复位两种结合,二极管D1在系统瞬间掉电能帮助系统快速放电,使系统重新复位,以提高系统的可靠性。

            o4YBAGAwq7qAfMtUAAAzHRRJTW4576.png

            (3)振荡电路。如图2所示,51单片机的第18脚和第19脚为两个外接振荡的引脚,是内部振荡方式的典型电路,外接的33pF电容可以提高振荡的稳定性。

            o4YBAGAwq9mAOUttAAAoqY9JoeE383.png

            (4)EA。AT89S51单片机内部有4KB的程序存储器,不需要外部的ROM空间,如果不够可以选择AT89S52或其他内部存储器更大的单片机,所以接高电平,即:不使用外部ROM,只使用内部的存储器。

            1.2MCS51单片机系统的存储器结构

            MCS51单片机的存储器分为片内和片外两个部分,即:内部的ROM/RAM和外部的ROM/RAM,编写程序时必须清楚每一个存储单元的用途和功能,这样才能更好地进行系统存储器资源的分配。51单片机的另一个特点是外部的RAM空间和I/O空间共用外部的64KB空间,因为外部总线的地址线为16bit,所以能够访问的最大地址空间为64KB。51单片机系统在进行外部扩展时,所有外设的地址都分布在这64KB的地址范围内,对于RAM来说,地址是连续的;而对于LCD、ADC等等部件,地址是不连续的。

            1.351单片机的中断系统

            AT89S51单片机为用户提供了可屏蔽中断源有5个,分别是:外部中断0(入口地址为:0003H)、外部中断1(入口地址为:000BH)、定时器0(入口地址为:0013H)、定时器1(入口地址为:001BH)和串行中断(入口地址为:0023H);不可屏蔽中断为复位(入口地址为:0000H)。51系列单片机的其他型号所提供的中断个数不尽相同,所有的单片机都包括上述这6个最基本的中断源,不同公司生产的51内核单片机中断源上有略微的区别。

            1.451单片机的总线结构

            由于51单片机真正可以作为双向I/O口应用的只有P1口,假设系统需要扩展外部的键盘,I/O就所剩无几了。因此,MCS51单片机应用系统设计都不可避免地需要进行系统的扩展,而I/O的扩展则是与系统总线紧密结合的。由于MCS51单片机的外部RAM和I/O口是统一编址的,因此,可以把单片机外部64KBRAM空间的一部分作为扩展外围I/O口的地址空间。这样,单片机系统就可以把额外的RAM空间用来进行I/O空间的扩展,使用总线方式对外设进行访问[1]。

            本文重点之一是介绍采用具有三态缓冲的74HC244芯片和输出带锁存的74HC573芯片来扩展一个4×4的小键盘,缓冲器和锁存器分别占用外部I/O空间中的两个地址。而无论是访问外部的RAM空间还是I/O空间,在进行汇编语言编程时都是通过MOVX指令来实现读写的。在使用C语音进行单片机程序设计时,虽然语言改变了,但是C语言程序反汇编后,访问外部仍然使用的是MOVX指令。因此,分析过程及使用中,都是以汇编语言为例进行扩展设计的。

            2MOVX指令的执行过程

            MOVX指令是51单片机访问片外外设的唯一指令,与外部RAM或I/O空间进行数据的读写或者ADC和DAC等都需要使用这条指令。MCS51单片机外部RAM的地址空间为64KB,地址总线为16bit,访问外设可执行4条汇编指令:(1)MOVXA,@DPTR;(2)MOVX@DPTR,A;(3)MOVXA,@RI;(4)MOVX@RI,A。其中DPTR为16bit地址寄存器,地址高8bit存于DPH,地址低8bit存于DPL,Ri(i=0,1)是8bit寄存器,作为地址指针时仅存低8bit地址。

            MCS51执行上述指令时分为两个阶段:首先,是从程序存储器中取出指令代码,并进行译码;然后,执行对外设数据的读写操作。在这两个阶段中,P0口在指令执行过程中是分时复用口,指令前半个周期,低8bit地址由地址锁存允许信号ALE控制一个8bit的锁存器输出,接着输出8bit数据至外部数据总线,P2口在此过程中一直输出高8bit地址。

            由上所述,假设使用R0和R1对外设的进行间接寻址方式的访问,那么可看作是一种页面寻址,将外部的64KB空间分成了256页,每一页有256B地址。寄存器P2的当前值决定了当前的页地址。MCS51单片机在复位时,P2端口寄存器数值为FFH,若程序运行中没有改变P2中的值,则R0和R1只能对FF00H~FFFFH范围的外部的间接寻址,即对第255个页面进行访问。往外部空间写1B时序图如图3所示。

            pIYBAGAwq-6AcY9oAACxJHHk4Ok433.png

            因此,使用DPTR作为数据指针或者是RI,都可以实现对外部64KB空间的访问。而指令都是使用MOVX,可见MCS51单片机系统中,MOVX指令有着非常重要的作用。

            3时序分析及系统扩展

            MCS51单片机的外部总线时序扩展主要包括外部的译码电路、锁存电路等组合逻辑电路,形成整个系统的外部总线,即:数据总线、地址总线、控制总线。

            译码电路采用常用的74系列3/8线译码器74LS138,该芯片的A、B、C分别接地址的最高3位,即A13、A14、A15,译码电路如图4所示;138的使能端E3接高电平,E1和E2接的是EN_138,该信号是由单片机系统的读写信号经过组合得来的,当系统对外部的总线进行读写时,读/写信号其中一个为低电平,使得EN_138控制信号输出为一个低电平脉冲信号,此时,3/8线译码器的输出Y0~Y7其中一个也会输出一个低电平脉冲,用此脉冲就可以有效地对外部设备进行片选。逻辑电路如图5所示。

            通过这样的组合后就可以在总线上数据有效的时间内,通过74LS138的Y0~Y7控制外设的片选,实现有效的数据读写。尤其是在扩展外部I/O口使用的74系列的逻辑电路芯片时,这个方法尤为重要,因为这类芯片没有外部的读/写信号,只能通过单片机外部的组合逻辑电路输出一个读/写信号宽度的脉冲用以控制此类I/O芯片。若外设信号控制信号为低电平脉冲,则刚好与3/8线译码器的输出匹配,此时直接相连即可;若外设控制信号需要的是高脉冲信号,则必须在3/8线译码器的输出外面再加一级反相器电路,常用的反相器为74LS04。

            以写数据往外设为例,得到的时序流程如图6所示。读数据的时序与写数据一致,只是将写信号换成读信号。

            o4YBAGAwrGmAB0M8AAAzmE-aN7M470.png

            4I/O扩展实例

            4.1行列键盘扩展

            如前所述,51单片机供用户使用的I/O只有P1端口的8个引脚,远不能满足系统的需求,这样就必须通过总线的方法进行外部I/O扩展。在这里需要注意的是,51单片机系统外部I/O空间是和外部的RAM空间共用外部64KB空间的。使用74LS573和74LS244分别进行行列的扩展,其中573锁存行信号,244读回数据,扩展了端口,实现了4×4的矩阵式行列扫描键盘,如图7所示。在此程序略,主要介绍扩展的方法。

            pIYBAGAwrIiASGxeAADGBes2rys372.png

            图8所示为4×4矩阵键盘连接图。

            o4YBAGAwrKSABJRHAACeUiN_cfk331.png

            4.2大于64KB空间的扩展

            MCS51单片机是8位的微控制器,外部地址总线共16bit地址,能访问的空间共为64KB,但是如果系统中所有的外设加起来需要的地址空间超过64KB时(如128KB、256KB的RAM或者需要更多的I/O空间等情况出现)就需要使用P1口或者是P3口不使用的I/O口进行线选法译码或者译码法进行额外的扩展来实现。

            这种情况在单片机系统中经?;嵊龅?,本文中介绍一种基于分页原理的扩展方法。51单片机系统虽然只有16条地址总线,在系统需要较大的RAM或I/O空间时,可以将系统中空余的I/O口作为额外的外部地址使用,例如:使用P1.0时进行线选法译码时,就可以扩展外部的128KB空间。当P1.0为低电平时,选择第1个64KB空间;当P1.0为高电平时,选择第2个64KB空间。

            以此类推,假设有更多的空间需求时,还可使用专用译码器进行译码,来进行更多的选择
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            拜登承诺解决芯片短缺问题将需要数年时间实现?

            5G终端百花齐放 华为首个智慧屋亮相MWC

            本次展会以“和合共生”为主题,多家企业分别展出了5G解决方案、5G硬件、概念型智能手机、AR/VR硬....
            的头像 西西 发表于 02-26 15:29 ? 316次 阅读
            5G终端百花齐放 华为首个智慧屋亮相MWC

            华为有望参加巴西5G网络建设 美国三大运营商角力5G频谱拍卖

            最新路透社消息,巴西监管机构将批准今年5G网络频谱拍卖的规则,没有对中国华为进行限制。此外,在美国,....
            的头像 章鹰 发表于 02-26 15:07 ? 486次 阅读
            华为有望参加巴西5G网络建设 美国三大运营商角力5G频谱拍卖

            IOTE国际物联网展六大展区与你一起挖掘亿万市场

            在数字化时代,碎片化应用让我们对于物联网的印象似乎是模糊的,清晰透明的物联网蓝图是我们对未来的渴求。....
            的头像 传感器技术 发表于 02-26 14:48 ? 209次 阅读
            IOTE国际物联网展六大展区与你一起挖掘亿万市场

            2021年2月5G领域热点动态汇总

            经历2020年的快发展,2021年我国5G迎来关键一年。工信部表示,今年我国5G基站建设将达成累计1....
            发表于 02-26 14:10 ? 296次 阅读
            2021年2月5G领域热点动态汇总

            浅谈5G发展机遇及未来趋势

            2020年的“新基建”政策给5G建设提供了强大助力,面向2021年,5G发展将加速迎来落地。作为5G....
            发表于 02-26 13:56 ? 239次 阅读
            浅谈5G发展机遇及未来趋势

            小屏旗舰逐步“消亡”,单手模式或成为标配

            两周前,知名金融机构JP Morgan一则关于“苹果或将停产iPhone 12 mini”的报告,引....
            的头像 我快闭嘴 发表于 02-26 13:56 ? 95次 阅读
            小屏旗舰逐步“消亡”,单手模式或成为标配

            巴西对华为5G网络没有做任何限制

            据巴西媒体报道,2月26日,巴西电信监管机构Anatel批准了今年5G网络频谱拍卖的规定,对设备供应....
            的头像 电子魔法师 发表于 02-26 13:56 ? 283次 阅读
            巴西对华为5G网络没有做任何限制

            5G发展正当时,机遇与挑战并存

            以“5G正当时”为主题的2021年GTI国际产业峰会在上海世界移动通信大会(MWC)期间隆重召开。为....
            发表于 02-26 13:46 ? 292次 阅读
            5G发展正当时,机遇与挑战并存

            关于单片机ADC的详细参数描述,助你更深层次的理解ADC采样

            很多情况下,对于ADC采样只能看到表象,无法理解更深的层次,那么造成的结果可能就是ADC采样有误差,采样不准确,这篇文章...
            发表于 02-26 13:42 ? 67次 阅读
            关于单片机ADC的详细参数描述,助你更深层次的理解ADC采样

            5G端到端网络切片标准的最新进展

            切片一直是5G网络使能垂直行业的重要抓手,但是具体5G切片进展如何,业界对此十分关注。标准先行,5G....
            的头像 我快闭嘴 发表于 02-26 13:38 ? 231次 阅读
            5G端到端网络切片标准的最新进展

            关于单片机ADC通道转换对IO口的影响

            大家可以下载学习,以避免在使用过程中造成ADC采样误差...
            发表于 02-26 13:38 ? 0次 阅读
            关于单片机ADC通道转换对IO口的影响

            中国电信对5G电力发展的思考

            “5G让智能电网视野更清晰,5G让智能电网动作更敏捷,5G让智能电网管理更智慧?!痹?月24日召开的....
            发表于 02-26 13:38 ? 232次 阅读
            中国电信对5G电力发展的思考

            腾讯云5G网络方案在电竞领域迎来标志性落地

            在腾讯电竞2021天美电竞项目计划发布会上,深圳电竞制作中心正式成立并启用,成为腾讯云5G网络方案在....
            的头像 我快闭嘴 发表于 02-26 12:23 ? 228次 阅读
            腾讯云5G网络方案在电竞领域迎来标志性落地

            请问带单点触控功能的8脚单片机有哪些?

            清问带单点触控功能的8脚单片机有那些?
            发表于 02-26 11:55 ? 9次 阅读
            请问带单点触控功能的8脚单片机有哪些?

            中国联通5G切片实践逐步落地

            切片是运营商发展5G toB业务的重要抓手,中国联通构建了以5G切片为核心网的差异化服务能力,推动多....
            发表于 02-26 11:53 ? 108次 阅读
            中国联通5G切片实践逐步落地

            大汉三通“汉武际5G RCS+”战略发布

            “5G RCS (Rich Communication Services 富媒体信息)将是移动互联网....
            发表于 02-26 10:03 ? 273次 阅读
            大汉三通“汉武际5G RCS+”战略发布

            单片机、ARM、FPGA各自特点是什么?

            单片机的特点 ARM的特点 FPGA的特点 嵌入式系统的特点 ...
            发表于 02-26 07:54 ? 0次 阅读
            单片机、ARM、FPGA各自特点是什么?

            单片机可以做什么?

            单片机可以做什么
            发表于 02-26 07:44 ? 0次 阅读
            单片机可以做什么?

            单片机学习应用的重要部分?

            单片机学习应用六大重要部分
            发表于 02-26 06:52 ? 0次 阅读
            单片机学习应用的重要部分?

            单片机分层屏蔽的设计思想

            单片机分层屏蔽的设计思想
            发表于 02-26 06:19 ? 0次 阅读
            单片机分层屏蔽的设计思想

            单片机工作所必须的外围功能电路有哪些

            “动力”―电源电路 “总指挥”―振荡电路「闹钟」―复位电路 CPU的复位操作 ...
            发表于 02-26 06:09 ? 0次 阅读
            单片机工作所必须的外围功能电路有哪些

            单片机系列免费教程-单片机入门-连载视频教程,硬件原理图PCB,软件编程全部囊括

            大家好! 单片机免费教程,特邀黄忠老师为大家讲解,本期为第一期内容。持续关注,我们会继续更新! ...
            发表于 02-25 16:45 ? 385次 阅读
            单片机系列免费教程-单片机入门-连载视频教程,硬件原理图PCB,软件编程全部囊括
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