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[导读]来源 :eepw 1 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

来源 :eepw


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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。



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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。




  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。



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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。



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常见单片机编址电路


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。

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。

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。






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单片机总线编址电路实例


带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。带编址扩展的单片机最小系统电路如图7所示。





使用74HC573锁存低8位地址;74138实现8个地址扩展,74138的A、B、C接A8~A10,E1接A15, E2、E3接地常有效,得到0F8FFH到0FFFFH8个地址 (无关位用1表示) 或者8000H到8700H (无关位用0表示) 。32k RAM接口如图8所示。





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。



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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。


-END-




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