一文讲清单片机必备技术——总线扩展

一、总线概述

计算机系统是以微处理器为核心的，各器件要与微处理器相连，且必须协调工作，所以在微处理机中引入了总线的概念，各器件共同享用总线，任何时候只能有一个器件发送数据(可以有多个器件同时接收数据) 。

计算机的总线分为控制总线、地址总线和数据总线等三种。而数据总线用于传送数据，控制总线用于传送控制信号， 地址总线则用于选择存储单元或外设。

二、单片机的三总线结构

51 系列单片机具有完善的总线接口时序，可以扩展控制对象，其直接寻址能力达到 64k( 2 的 16 次方) 。在总线模式下，不同的对象共享总线，独立编址、分时复用总线，CPU 通过地址选择访问的对象，完成与各对象之间的信息传递。

单片机三总线扩展示意如图 1 所示。

1、数据总线

51 单片机的数据总线为 P0 口，P0 口为双向数据通道，CPU 从 P0 口送出和读回数据。

2、地址总线

51 系列单片机的地址总线为 16 位。

为了节约芯片引脚，采用 P0 口复用方式，除了作为数据总线外，在 ALE 信号时序匹配下，通过外置的数据锁存器，在总线访问前半周期从 P0 口送出低 8 位地址，后半周期从 P0 口送出 8 位数据。

高 8 位地址则通过 P2 口送出。

3、控制总线

51 系列单片机的控制总线包括读控制信号 P3.7 和写控制信号 P3.6 等，二者分别作为总线模式下数据读和数据写的使能信号。

三、单片机总线时序分析

51 单片机总线时序如图 2 所示。

从图 2 中可以看出，完成一次总线( 读写) 操作周期为 T，P0 口分时复用，在 T0 期间，P0 口送出低 8 位地址，在 ALE 的下降沿完成数据锁存，送出低 8 位地址信号。在 T1 期间，P0 口作为数据总线使用，送出或读入数据，数据的读写操作在读、写控制信号的低电平期间完成。

需要注意的是，在控制信号( 读、写信号) 有效期间，P2 口送出高 8 位地址，配合数据锁存器输出的低 8 位地址，实现 16 位地址总线，即 64kB 范围的内的寻址。

由于 CPU 不可能同时执行读和写操作，所以读、写信号不可能同时有效。

四、常见单片机编址电路

1、简单地址扩展

51 单片机的 P2 口可以直接作为高 8 位地址总线使用，在一些简单系统电路中，常使用 P2 口直接编址驱动。

下面以使用数据缓冲器 74LS273 驱动数码显示为例，分析 P2 口编址驱动的静态数码显示电路的设计。

一位 LED 数码显示单元电路如图 3 所示。

WR 与 A8( P2.0) 相或提供 74LS273 的时钟信号，当执行“MOVX @DPTR，A”指令时，地址信息由 DPTR 寄存器确定，会出现有效的写信号 WR，只有当地址 A8 为满足“0”时，写信号才可以作为 74LS273 的时钟信号输入，完成数据锁存。

P2 口为 A8～A15 的 8 位地址线，很容易扩展到 8 只 LED 数码管，WR 信号分别与 A8～A15 按或关系连接，每位地址线均为低电平有效，即可实现 8 个有效地址。

该方案电路简单，但有效地址数太少，不适用于复杂系统设计。

2、低 8 位地址锁存

通常的设计电路是使用 8D 锁存器 74LS373 实现地址锁存，74HC573 与之逻辑功能相同，只是引脚布局不一样，使用 74HC573 布线更容易。

74LS373 真值表如图 4 所示。

在输出允许 OE 为 L、控制使能 LE 为 H 时，输出为跟随状态;OE 为 L、LE 为 L 时，输出为保持状态。

地址锁存电路如图 5 所示。OE 接地，LE 接单片机的 ALE 脚将产生满足时序的低 8 位地址信号。

执行以下三条指令会得到如图 6 所示的时序图。

MOV DPTR，# 0FF55H; 低 8 位地址为 55H

MOV A，# 0AAH; 待发送数据 0AAH→A( 55H 取反)

MOVX，@DPTR，A; A 中的 0AAH 送地址为 0FF55H 的对象中会。

从图 6 中可以看出，P0 口先送 55H，在 ALE 下降沿实现地址锁存，随后送出数据 0AAH，在 WR 有效( 低电平) 期间锁存器输出低 8 位地址 55H，P0 口送出数据 0AAH。

3、带译码器的复杂地址接口电路

理论上高 8 位地址线可以产生 256 个有效地址，如何实现地址“扩展”呢? 地址扩展准确描述是地址译码，例如 3 根地址线可以译码成 8 个地址，4 根译码成 16 个有效地址。这里选择 3-8 译码器实现地址译码，电路图以及对应的编址如表 1 所示。

五、单片机总线编址电路实例

总线扩展接口的单片机系统，包括外部 32k RAM 扩展、LCD1602 接口、输入输出口。

D0～D7 接数据总线 P0 口，地址线 A0～A14 接单片机地址总线低 15 位，单片机地址线 A15 接 RAM 片选信号，低电平有效，这样 RAM 地址分配从 0000H 到 7FFFH，与 74138 译码地址不冲突。

LCD1602 接口电路如图 9 所示。

RS、RW 分别接 A12、A13，使能信号编址为 Y7，这样 LCD 的四个驱动地址( 数据读写和命令读写) 为 0CFFFH 到 0FFFFH ( 无关位为 1) 或者 8700H 到 0B700H( 无关位为 0)。

有些时候单片机引脚不够用，还要进行扩展，输入口扩展电路如图 10 所示。

利用 74HC573( 74LS373) 的高阻态功能，将其输出 Q0～Q7 接 P0 口，在满足总线地址读操作中，可以把输入 InPORT 的数据读入单片机的累加器，地址为 0F8FFH 或 8000H。

输出口扩展电路如图 11 所示。

利用 74LS273 数据锁存功能，在满足总线地址写操作中，可以把单片机累加器里的数据写入 273 锁存输出，地址为 0F8FFH 或 8000H。由于所用控制总线不同，可以和输入共用地址。

六、结束语

总线扩展是设计单片机控制电路必须掌握的技术，大量的特殊功能 IC 都支持总线接口， 如 ADC0809，TLC7528，DDS 器件 AD9851 等。

总线接口的要点就是在严格的控制时序下，总线被分时复用，以实现复杂系统设计。