1、單片原理及接口（第2版）,清華大學(xué)出版社,主編：陳忠平 曹巧媛 曹琳琳 徐剛強(qiáng) 劉 瓊,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,8.1并行擴(kuò)展總線,線譯碼法就是直接將系統(tǒng)的高位地址線連到所擴(kuò)展芯片的片選端，作為其片選信號(hào)，一根地址線對(duì)應(yīng)一個(gè)片選。 全譯碼法是將片內(nèi)選址后剩余的高位地址通過(guò)譯碼器進(jìn)行譯碼，譯碼后的輸出產(chǎn)生片選信號(hào)，每一種輸出作為一個(gè)片選。 部分地址譯碼法是將高位剩余的地址一部分進(jìn)行譯碼，另一部分則懸空暫時(shí)不用。,8.1.1并行擴(kuò)展總線方法,8.1.2 地址譯碼方法,8.1.3總線驅(qū)動(dòng),單片機(jī)的P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，P1、P2、P3只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門電路。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模較大，超過(guò)其負(fù)載能

2、力時(shí)，系統(tǒng)將不能穩(wěn)定地進(jìn)行工作，需加總線驅(qū)動(dòng)。地址總線和控制總線的驅(qū)動(dòng)器為單向、三態(tài)輸出、一個(gè)控制端，常用的驅(qū)動(dòng)器有74LS240、74LS241和74LS244；數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)器為雙向、三態(tài)輸出、兩個(gè)控制端，常用的驅(qū)動(dòng)器有74LS245等。,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,1. SPI串行總線具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）三線同步； （2）全雙工操作； （3）主從方式； （4）有4種可編程時(shí)鐘速率 （5）具有可編程極性和相位的串行時(shí)鐘； （6）有傳送結(jié)束中斷標(biāo)志、寫沖突出錯(cuò)標(biāo)志、總線沖突出錯(cuò)標(biāo)志。,2SPI串行總線的接口電路及工作原理,8.2串行總線擴(kuò)展,8.2.1SPI總線,SPI總線接口的典型電路,

3、第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,SPI數(shù)據(jù)的交換,3時(shí)鐘相位和極性,CPHA為0時(shí)傳送格式,CPHA為1時(shí)傳送格式,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,4SPI的應(yīng)用 （1）自帶SPI接口的單片機(jī)擴(kuò)展并行I/O端口,（2）SPI串行總線在STC89系列單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn) 使用不具有SPI接口功能的STC89系列單片機(jī)時(shí)，那么只能通過(guò)軟件來(lái)模擬SPI操作。假設(shè)P1.5模擬SPI的數(shù)據(jù)輸出端MOSI，P1.7模擬SPI的SCK輸出端，P1.4模擬SPI的從機(jī)選擇端/SS，P1.6模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端MISO。若外圍器件在SCK的下降沿接收數(shù)據(jù)，上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)P1.7口初始值設(shè)為0，允許接口后P1.7設(shè)為1。單

4、片機(jī)在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)，接口芯片串行左移，使輸出1位數(shù)據(jù)到單片機(jī)的P1.6口，即模擬了MISO，此后再置P1.7為0，使STC89C51單片機(jī)從P1.5（模擬MOSI）輸出1位數(shù)據(jù)到串行接口芯片。這樣模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出完成。然后，再將P1.7置1，模擬下1位數(shù)據(jù)輸入輸出，依次循環(huán)8次，完成8位數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鳌?第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,1MicroWire總線引腳 MicroWire總線由串行數(shù)據(jù)輸出線（SO）、串行數(shù)據(jù)輸入線（SI）和串行時(shí)鐘線（SK）組成,8.2.2MicroWire總線,2MicroWire總線系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu),第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,1I2C總線的特點(diǎn) 有2條線，

5、一條SDA串行數(shù)據(jù)線，一條SCL串行時(shí)鐘線。它采用“純軟件”的尋址方法，以減少連線數(shù)目。 可工作在主/從方式。 I2C是一種真正的多主串行總線，多主器件競(jìng)爭(zhēng)總線時(shí)，時(shí)鐘同步和總線仲裁都由硬件自動(dòng)完成。 串行數(shù)據(jù)在主從之間可以雙向傳輸；其傳輸速率在不同的模式下各不相同 數(shù)據(jù)總線上的毛刺波由芯片上的濾波器濾去，確保數(shù)據(jù)的完整性。 同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線相配合產(chǎn)生可以作為啟動(dòng)、應(yīng)答、停止或重啟動(dòng)串行發(fā)送的握手信號(hào)。 連接到同一總線的I2C器件數(shù)只受總線的最大電容400pF限制。,8.2.3I2C總線,2I2C總線的接口電路及工作原 （1）I2C的接口電路,I2C設(shè)備與I2C總線的接口電路,第8章 外部系統(tǒng)

6、的擴(kuò)展,（2）工作過(guò)程 在數(shù)據(jù)傳輸中，主設(shè)備為數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。要求SDA數(shù)據(jù)線只有在SCL串行時(shí)鐘處于低平時(shí)才能變化?？偩€的一次典型工作過(guò)程如下： 開(kāi)始 表明開(kāi)始傳輸信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生； 地址 主設(shè)備發(fā)送地址信息，包含7位的從設(shè)備地址和1位的指示位； 數(shù)據(jù) 根據(jù)指示位，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸。數(shù)據(jù)一般以8位傳輸，接收器上用一位ACK（回答信號(hào)）表明每一個(gè)字節(jié)都收到了。傳輸可以被終止或重新開(kāi)始； 停止 信號(hào)結(jié)束傳輸，由主設(shè)備產(chǎn)生。,主/從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),多主式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,3I2C信號(hào)時(shí)序分析 （1）SDA與SCL的時(shí)序關(guān)系,（2）起始與停止信號(hào),（3）應(yīng)答信號(hào)A

7、CK（Acknowledgement）和非應(yīng)答信號(hào)/ACK,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,（4）數(shù)據(jù)傳輸,（5）時(shí)鐘同步,（6）仲裁,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,1SMBus串行總線的特點(diǎn) （1）兩線； （2）雙向，可工作在主/從方式，一個(gè)總線上可以有多個(gè)主器件，通過(guò)“與”的邏輯來(lái)提供總線仲裁； （3）電壓范圍35V，設(shè)備可由VDD或自身電源供電，總線上不同器件的工作電壓可以不同。,8.2.4SMBus總線,2SMBus串行總線工作原理 （1）工作原理,（2）數(shù)據(jù)的傳輸,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,（3）總線仲裁 若有兩個(gè)或多個(gè)主器件同一時(shí)刻產(chǎn)生起始條件時(shí)，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)的主器件可能不知道其他主器件想占用總線

8、，當(dāng)SCL為高時(shí)，將在SDA線上產(chǎn)生沖突，所以使用總線仲裁迫使一個(gè)主器件放棄總線，變?yōu)閺钠骷?，等待另一個(gè)主器件數(shù)據(jù)傳輸完之后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。沒(méi)有放棄總線的主器件繼續(xù)發(fā)送起始條件，直到其中一個(gè)主器件發(fā)送高電平，而其他主器件在SDA上發(fā)送低電平。這樣就要求在每一個(gè)總線發(fā)送周期內(nèi)都要監(jiān)視SDA線的工作狀態(tài)。 （4）時(shí)鐘 時(shí)鐘低電平的擴(kuò)展：在數(shù)據(jù)傳輸期間可以采取低電平的擴(kuò)展，從器件可以保持SCL為低電平以擴(kuò)展時(shí)鐘低電平時(shí)間。 SCL低電平超時(shí)：若保持低電平的時(shí)間超過(guò)25ms則認(rèn)為SCL低電平超時(shí)，檢測(cè)到超時(shí)條件的器件必須在10ms時(shí)間內(nèi)復(fù)位，進(jìn)行通信。 SCL高電平超時(shí)：如果一個(gè)器件的SCL和SD

9、L為高電平的時(shí)間超過(guò)50s，則認(rèn)為總線處于空閑狀態(tài)，可以發(fā)送起始條件。 （5）工作方式 主發(fā)送器方式：SDA線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，SCL線上輸出串行時(shí)鐘，主器件輸出起始、停止條件。 主接收器方式：SDA線上接收串行數(shù)據(jù)，SCL線上輸出串行時(shí)鐘，主器件輸出起始、停止條件。 從發(fā)送器方式：SDA線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，SCL線上接收串行時(shí)鐘。 從接收器方式：SDA線上接收串行數(shù)據(jù)，SCL線上接收串行時(shí)鐘。,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,3SMBus總線的典型電路,4SMBus與I2C總線的主要區(qū)別 SMBus總線與I2C總線相比主要存在這幾個(gè)方面的差別：電氣參數(shù)、時(shí)鐘、通信協(xié)議、操作方式等方面。,（1）電氣參數(shù)

10、SMBus總線和I2C總線都是以固定電源電壓為基礎(chǔ)的，也可以采用VDD電壓的混合設(shè)備提供電源。SMBus總線定義VDD電壓為35.0V10%，而I2C總線定義VDD電壓為5.0V10%,固定電平為1.53.0V；SMBus定義輸入電平可達(dá)VDD，而I2C定義它們電壓范圍為0.82.1V；在功耗方面，SMBus比I2C要求更加苛刻，對(duì)DC的要求更加嚴(yán)格；SMBus1.1版規(guī)定的最大漏電流為5A，而I2C規(guī)定的最大漏電流是10A。 （2）時(shí)鐘 SMBus總線規(guī)定其工作速率為10 100Kb/s,I2C總線沒(méi)有這樣的規(guī)定，只是工作在三種模式下（標(biāo)準(zhǔn)模式為100Kb/s、快速模式為400Kb/s和高速

11、模式為3.4Mb/s）；SMBus時(shí)鐘斷開(kāi)的最低時(shí)間為30ms，I2C總線沒(méi)有這樣的規(guī)定。,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,1.單總線的特點(diǎn) 采用單總線技術(shù)的主/從設(shè)備，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： （1）主/從設(shè)備間的連線少，有利于長(zhǎng)距離通信； （2）功耗低，由于單線芯片采用CMOS技術(shù)，且從設(shè)備一般由主設(shè)備集中供電，因此耗電量很少（空閑時(shí)幾W,工作時(shí)幾mW）； （3）主/從設(shè)備都為開(kāi)漏結(jié)構(gòu)，為使掛在總線上的每個(gè)設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候都能驅(qū)動(dòng)，它們與總線的匹配端口都具有開(kāi)漏輸出功能，因此在主設(shè)備的總線側(cè)必須有上拉電阻； （4）單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，因此系統(tǒng)的抗干擾性能好，可靠性高； （5）特殊復(fù)位功能，線

12、路處于空閑狀態(tài)時(shí)為高電平，若總線處于低電平的時(shí)間大于器件規(guī)定值（通常該值為幾百s）時(shí)，總線上的從設(shè)備將被復(fù)位； （6）ROM ID，單總線上可掛許多單線芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)這些芯片時(shí)，每個(gè)單線芯片都編制了唯一的ID地址碼，這些ID地址碼都存放在該芯片自帶的存儲(chǔ)器中，通過(guò)尋址就能把芯片識(shí)別出來(lái)。,8.2.5單總線,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,2單總線的接口電路及單總線芯片工作原理 （1）單總線接口電路,（2）單總線芯片工作原理 主設(shè)備在合適的時(shí)間內(nèi)可驅(qū)動(dòng)單總線上的每個(gè)從設(shè)備（單總線芯片），這是因?yàn)槊總€(gè)單總線芯片都有各自唯一的64位ID地址碼。這64位ID地址碼是廠家對(duì)每個(gè)單總

13、線芯片使用激光刻錄的一個(gè)64位二進(jìn)制ROM代碼，其中第一個(gè)8位表示單線芯片的分類編號(hào)；接著的48位是標(biāo)識(shí)器件本身的序列號(hào)，這48位序列號(hào)是一個(gè)大于2811012的十進(jìn)數(shù)編碼，所以完全可作為每個(gè)單總線芯片和唯一標(biāo)識(shí)代碼；最后8位為前56位的CRC（Cyclic Redundancy Cheek）循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。 在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸正確與否主要是檢驗(yàn)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。即數(shù)據(jù)通信中，主設(shè)備收到64位ID地址碼后，將前56位按CRC生成多項(xiàng)式：CRC=X8+X5+X4+1，計(jì)算出CRC的值，并與接收到的8位CRC值進(jìn)行比較，若兩者相同則表示數(shù)據(jù)傳輸正確，否則重新傳輸數(shù)據(jù)。 作為單總線從

14、設(shè)備的單總線芯片，一般都具有生成CRC校驗(yàn)碼的硬件電路，而作為單總線的主設(shè)備可使用硬件電路生成CRC校驗(yàn)碼，也可通過(guò)軟件的方法來(lái)產(chǎn)生CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,3單總線芯片的傳輸過(guò)程 （1）初始化； （2）傳送ROM命令； （3）傳送RAM命令； （4）數(shù)據(jù)交換。,單總線信號(hào)波形,ROM功能命令主要是用來(lái)管理、識(shí)別單總線芯片，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)“片選”功能。ROM功能命令有7個(gè)： （1）讀ROM：主設(shè)備讀取從設(shè)備的64位ID地址碼。該命令用于總線上只有一個(gè)從設(shè)備。 （2）匹配ROM：上有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，允許主設(shè)備對(duì)多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行尋址。從設(shè)備將接收到的ID地址碼與各自的ID地址碼進(jìn)行比較

15、，若相同表示該從設(shè)備被主設(shè)備選中，否則將繼續(xù)保持等待狀態(tài)。 （3）查找ROM：統(tǒng)首次啟動(dòng)后，須識(shí)別總線上各器件。 （4）直訪ROM：系統(tǒng)只有一個(gè)從設(shè)備時(shí)，主設(shè)備可不發(fā)送64位ID地址碼直接進(jìn)入芯片對(duì)RAM存儲(chǔ)器訪問(wèn)。 （5）超速匹配ROM：超速模式下對(duì)從設(shè)備進(jìn)行尋址。 （6）超速跳過(guò)ROM：超速模式下，跳過(guò)讀ROM命令。 （7）條件查找ROM：于查找輸入電壓超過(guò)設(shè)置的報(bào)警門限值的某個(gè)器件。,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器有紫外線擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory），如2716（2K8）、2732（4K8）、2

16、764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等。,8.3并行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,8.3.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,2716的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,2716工作方式,三種芯片與單片機(jī)P0口的連接方法,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,線譯碼法擴(kuò)展EPROM存儲(chǔ)器,全譯碼法擴(kuò)展E2PROM存儲(chǔ)器,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,靜態(tài)RAM讀寫速度相對(duì)快，字節(jié)寬度易于擴(kuò)展，但集成度低，功耗大。典型產(chǎn)品有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（32K8）等。動(dòng)態(tài)RAM集成度高，功耗低，但需增加一個(gè)刷新電路。iRAM（Integrated RMA）,它將動(dòng)態(tài)R

17、AM系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片，兼有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩者的優(yōu)點(diǎn)，其典型產(chǎn)品有2186、2187等。,8.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,6264的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,6264工作方式,全譯碼法擴(kuò)展存儲(chǔ)器,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,3外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的串行擴(kuò)展方法 （1）利用74LS164和74LS165串行擴(kuò)展1MB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,（2）讀/寫原理 電路中利用單片機(jī)的可編程串行口來(lái)擴(kuò)展大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。設(shè)置串行口工作于方式0，P3.0（RXD）作數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送，P3.1（TXD）發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)。再利用單片機(jī)的幾位口線作為控制信號(hào)：P1.5作為628128的片選控制信號(hào)，P1.6控制0#3#的串行移

18、位輸入，當(dāng)P1.6=0時(shí)，反相為高，0#2#串行移位輸入20位存儲(chǔ)器的地址，3#不工作，當(dāng)P1.6=1時(shí)，3#串行移位輸入8位數(shù)據(jù)，0#2#不工作；P1.7作為74LS165串行,輸出/并行輸入的控制，同時(shí)也控制628128的讀/寫操作。當(dāng)P1.7=1時(shí)，反相為低，628128可以打入20位地址或向選中單元寫入8位數(shù)據(jù)，當(dāng)P1.7=0時(shí)，反相為高，讀有效允許74LS165并行置入8位數(shù)據(jù)，然后撤銷628128的片選，P1.7置1，允許74LS165串行移位輸出數(shù)據(jù)。,（3）讀/寫程序設(shè)計(jì) 寫入程序：若向片外RAM3000H開(kāi)始的單元寫入40H90H的80個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其程序見(jiàn)主教材P237,第

19、8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,1AT24CXX外部封裝及引腳功能,8.4串行E2PROM的擴(kuò)展,8.4.1二線制I2C E2PROM AT24CXX系列的擴(kuò)展,（1）A0、A1、A2：片選或頁(yè)面選擇地址輸入。 （2）GND：地線。 （3）SDA：串行數(shù)據(jù)（/地址）I/O端，用于串行數(shù)據(jù)的輸入/輸出。 （4）SCL：串行時(shí)鐘輸入端，用于輸入/輸出數(shù)據(jù)的同步。 （5）WP：寫保護(hù)，用于硬件數(shù)據(jù)的保護(hù)。,WP端的保護(hù)范圍,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,2AT24CXX內(nèi)部結(jié)構(gòu),3功能描述 AT24C01(A)/02/04/08/16支持I2C雙向二線制串行總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件稱為發(fā)送器，接收數(shù)

20、據(jù)的器件稱為接收器。一般微處理器/微控制器稱為主器件，它產(chǎn)生串行時(shí)鐘和起始停止信號(hào)；E2PROM工作在從機(jī)方式，稱為從器件。,4從器件的尋址,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,5時(shí)序分析 （1）SCL和SDA的時(shí)鐘關(guān)系,（2）啟動(dòng)和停止信號(hào),（3）應(yīng)答信號(hào),6讀/寫操作,AT24CXX立即地址讀,AT24CXX順序讀,AT24CXX隨機(jī)讀,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,AT24C01(A)/02/04/08/16字節(jié)寫,AT24C01(A)/02/04/08/16頁(yè)面寫,7用I2C E2PROM芯片擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器 【例8-1】用AT24C04擴(kuò)展外圍程序存儲(chǔ)器，并將以0800H單元開(kāi)始的連續(xù)10個(gè)數(shù)據(jù)寫入

21、到E2PROM的01H為首地址的單元中。 解：AT24C04是位容量為4K位，其字節(jié)容量為512字節(jié)的E2PROM芯片。與P8XC591單片機(jī)的連接如圖8-40所示。R1、R2為上拉電阻。其程序見(jiàn)主教材P243P244,第8章 外部系統(tǒng)的擴(kuò)展,2AT25010/020/040內(nèi)部結(jié)構(gòu),8.4.2三線制SPI E2PROM AT25010/020/040系列的擴(kuò)展,（1）/CS：片選，低電平有效。 （2）SO：串行數(shù)據(jù)輸出，在讀操作時(shí)與時(shí)鐘輸入信號(hào)同步輸出數(shù)據(jù)。 （3）：寫保護(hù)，用于硬件數(shù)據(jù)的保護(hù)，低電平有效。 （4）GND：地線 （5）SI：串行數(shù)據(jù)輸入，鎖定與時(shí)鐘輸入信號(hào)同步的數(shù)據(jù)。 （6）SCK：串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸