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51 系列单片机总线时序分析与编址技术

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74573 布线更容易 。
74LS373 真值表如图4所示 。
 
【51 系列单片机总线时序分析与编址技术】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
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 。
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 。

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