第 9 章

单片机系统的扩展

主讲：朱兆优

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) 采用线选法、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 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 、 现代的扩展方法（ 1 ）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：有 I2C 接口的 AT24Cxx 系列和SPI 接口的 W25Xxx 系列。 W25X64 容量高达8MB ， W25Q128 容量高达 16MB 。

因此，今后的片外扩展将以串行总线为主，传统的三总线的应用扩展将出现在以 ARM 为核心的大系统结构上。

9.2 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的三总线分别由 P0 口、 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

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

(1) 线选法

线选法是指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

把地址用译码器进行译码，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 编址方法如下：(1) 基本地址计算(2) 加权地址计算 (3) 空地址线处理 (4) 将加权地址＋固定地址，再叠加到基本地

址的高位上，得出器件的地址范围。

例如 假定扩展了 2 个芯片 (IC1、 IC2) ，其连接关系如图 9-3 所示，要求计算这 2 个芯片的地址范围。

单片机一次只能访问一个芯片。 基本地址线 12 根，则基本地址为 000～ FFFH ，

加权地址线 2 根和空线 2根 ( 在高 4位 ) ，

计算出 IC1、 IC2 的地址空间如 下：

9.3.3 单片机扩展存储器的接口设计1． 2764和 6264 的引脚功能 (1) 双向三态数据线 8 根： D0～ D7 。(2) 地址线 13 根： A0～ A12 。(3) 控制线：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；—— 片选信号，低电平有效；CS—— 片选信号使能端，高电平有效，即当 =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 引脚排列如图

2 、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： 6000H～ 7FFFH;

IC2： A000H～ BFFFH;

IC3： C000H～ DFFFH;

对 A100H 地址的读操作指令为：

MOV DPTR, #0A100H

MOVX A,@DPTR

对 C200H 地址的写操作指令为：

MOV A,#Data

MOV DPTR, #0C200H

MOVX @DPTR,A

3 ．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”

对外部数据存储器的读操作，如 MOVX A,@DPTR

9.4 I/O 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 5~64 个数字 I/O 引脚

9.4.1 I/O 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。

1． I/O 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。

2． I/O 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

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 I/O 端口采用统一编址。

3 ．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

4． I/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) 。

使用可编程 I/O 接口芯片时，扩展电路繁杂，实际已经很少使用。

9.4.2 TTL 电路扩展并行 I/O 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，要求编程用点亮 LED灯表示某按键是否按下。其参考程序段如下：

MOV DPTR,#0000H ;I/O 端口地址→ DPTR

MOVX A,@DPTR ;读 74LS244 端口数据→ A ，产生 RD=0 。

MOVX @DPTR,A

2 ．用串行接口扩展并行输入口

CD4014 和 74LS165 都是具有并行输入和串行移位输出的接口电路，利用这两种芯片可以将单片机的串行接口扩展成为并行输入口，具体接口电路如图

例 2 按图从扩展的 16 位输入口中读入 6 组数据 ( 每组数 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 P1.0

START: CLR P1.0

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

RET

3 ．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 3 按照图 9-9 ，把片内 30H、 31H 单元的内容通过串行接口传送到扩展的 16 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START:SETB P1.0 ;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 RET

9.5 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 （ 3） 1/2/3Wire 总线

9.5.1 I2C 总线结构与工作原理1． I2C 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：

2． I2C 总线特点 (1) 使用 2 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。

3． I2C 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 。如图 9-11 。

(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。如图 9-12 。

9.5.2 I2C 总线的时序标准模式传输速率 100 KB/s ，高速模式传输速率 400 KB/s 。

9.5.3 I2C 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（ 1 字节）二进制数的方式

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• 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 P1.2、 P1.3做模拟 I2C 总线，则常用的子程序如下：

(1) I2C 总线启动子程序 STAT

SCL bit P1.2

SDA bit P1.3

STAT： SETB SDA ;SDA置高电平SETB SCL ;SCL置高电平NOP ;延时NOP

CLR SDA ;在 SCL=1使 SDA产生下降沿NOP

NOP

CLR SCL ;SCL拉低，主控制器等待RET

2 、停止子程序 STOP

STOP ： CLR SDA ;SDA置低电平SETB SCL ;SCL置高电平NOP ;延时NOP

SETB SDA ;在 SCL=1使 SDA产生上升沿

NOP ;延时NOP

CLR SCL ;SCL拉低，主控制器等待

RET

(3) 发送应答位置 0子程序 MACK

MACK ： CLR SDA ;SDA置低电平SETB SCL ;SCL置高电平NOP ;延时NOP

CLR SCL ; 发送 0 信号，即应答位SETB SDA

RET

(4) 发送非应答位置 1子程序 NACK

NACK ：SETB SDA ;SDA置高电平SETB SCL ;SCL置高电平NOP

NOP

CLR SCL ; 发送 1 信号，即非应答位

CLR SDA

RET

(5) 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 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 WR1

AJMP WR0

WLP1: DJNZ R2,WLP ;8 位数据未发送完，继续发送RET

WR1: SETB SDA ;置 SDA=1 ，发送 1

SETB SCL

NOP

NOP

CLR SCL

CLR SDA ;复位 SDA

AJMP WLP1

WR0: CLR SDA ;置 SDA=0 ，发送 0

SETB SCL

NOP

NOP

CLR SCL

AJMP WLP1

(7) 接收一字节数据子程序 RDBYT

RDBYT: 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

C

MOV A,R2

RLC A ; 把数据位移入到 A

MOV R2,A

CLR 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

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 E2PROM 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。

1． AT24Cxx 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 1.8～ 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 3.3V或 5V 供电。

AT24Cxxx 特性

3 ．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 ， AT24C64 读写通信格式时序 如下：

4 ．存储器的读操作 (1) 当前地址读操作，数据格式如下：

(2) 指定地址读操作，数据格式如下：

(3) 序列读操作，数据格式如下：

地址为当前地址时：

5 ．与单片机的接口编程89C51 单片机与 AT24C64 接口电路

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：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N DATA 08 ;从 24C64 器件内读出数据长度SDA BIT P1.7SCL BIT P1.6

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 2 要求把片内地址 30H 开始的 8 个数写入到 IC1 中的 3C0H 地址开始单元中。写操作过程：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 03H→AACALL WR8B ; 写入子程序ACALL CACKJB F0,WRC64MOV A,R6 ; 低字节地址 0C0H→AACALL WR8BACALL CACKJB F0, WRC64

WRDA64: 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 STOPRET

9.6.2 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。1． PCF8563 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，甚至可以为单片机提供看门狗功能。总线速度 400 KB/s

2． PCF8563 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。

倒计数器 (0FH) 由定时器控制寄存器 (0EH) 控制，定时器控制寄存器用于设置定时器有效 (TE=1)

或无效 (TE=0) 以及设置定时器的频率。

TD1和 TD0 为定时器时钟频率选择位， n是倒计数器的8 位二进制数为 00～ FFH ，则：

时钟频率倒计数周期

n

3． PCF8563 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。

(1) 时钟读出子程序 RTC8563: LCALL RDCBY ;调用读数据子程序， PAddr 缓冲区中，

MOV A,PAddr ; 取秒字节 ANL A,#7FH ;屏蔽无效位 MOV PAddr,A

MOV A,PAddr+1 ; 取分钟字节 ANL A,#7FH ;屏蔽无效位 MOV PAddr+1,A

MOV A,PAddr+2 ; 取小时字节 ANL A,#3FH ;屏蔽无效位 MOV PAddr+2,A

MOV A,PAddr +3 ; 取日字节 ANL A,#3FH ;屏蔽无效位 MOV PAddr+3,A

MOV A,PAddr+4 ; 取星期字节 ANL A,#07H ;屏蔽无效位 MOV PAddr+4,A

MOV A,PAddr+5 ; 取月字节 ANL A,#1FH ;屏蔽无效位 MOV PAddr+5,A

RET

(2) 时钟写入子程序 WTC8563:

MOV PAddr,#00H ;启动时钟， PAddr 缓冲区中 MOV PAddr+1,#1FH ; 设置报警及定时器中断 MOV PAddr+2,#56H ;秒时间写入发送缓冲区中 MOV PAddr+3,#39H ; 分钟时间写入发送缓冲区中 MOV PAddr+4,#15H ;小时时间写入发送缓冲区中 MOV PAddr+5,#16H ;日时间写入发送缓冲区中 MOV PAddr+6,#02H ;星期时间写入发送缓冲区中 MOV PAddr+7,#03H ;月时间写入发送缓冲区中 MOV PAddr+8,#10H ;年时间写入发送缓冲区中 MOV N,#09H ; 写入 7 个时间信息和 2 个控

制命令 MOV R6,#00 ; 控制 /状态寄存器 1 地址送入 R6 LCALL WRCBY ;调用写数据子程序 RET

(3) 报警功能的设置

PCF8563共有四种报警：

小时报警、日报警、月报警和星期报警。

设置报警方法：

设置 AE=0， AIE=1

则在 AF置 1 的同时在引脚产生一个中断，低电平有效，中断响应后应软件置 AF=0 。

实例程序见课本。

9.7 1/2/3Wire 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。

1． DS18B20 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 1 根双向数据传输信号线 (DQ) 。 测温范围为 -55～ +125℃ ；转换精度为 9～ 12 位二进制数 (含 1 位符号位 ) 。测温精度： 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 。

2． DS18B20 寄存器DS18B20 内部有 9 字节的高速寄存器，各寄存

器功能与编址如表：

3． DS18B20 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：

4． DS18B20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：

6． DS18B20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

DS18B20 操作时序

6． DS18B20 的应用电路

7． DS18B20 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 60～ 120 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 A2A1A0 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/s

9.8.1 ISD4004语音录 /放电路（简略）1 ．语音录 /放芯片 ISD4004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 000～ 960H ，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 。

2． ISD4004 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（略）

2． ISD4004 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

(C0 ～ C4) ， 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 P1.0～ p1.3 作为 SPI

模拟串行通信线。 程序见课本。