深度解读MCS51单片机时序分析及系统扩展

作者：周姝颖，林凡强，何凌霄，富 饶

AT89C51单片机是ATMEL公司设计生产的与MCS51内核兼容的51系列单片机之一，该系列单片机以其优越的性能和成熟的威廉希尔官方网站 在控制和自动化应用领域占有着较大的市场；除此以外，51单片机有着计算机系统中经典的总线结构，即：数据总线、地址总线和控制总线。

在实际应用中，单片机的4个端口中，P0口通常是作为地址/数据总线复用；P2口作为高8位地址总线，高8位地址线在有多余I/O的情况下，配合外部的组合逻辑电路一起构成外部总线译码使用；P3口通常作为第二功能使用,则提供给用户使用的I/O仅仅是P1口。在多数应用场合下是不能满足要求的，因此51单片机系统就或多或少地需要进行系统扩展。另外，由于其内部的RAM只有128 B,在使用C语言进行程序设计时显得比较不足，必要时需进行外部RAM扩展，方法与扩展外部I/O相同。实际应用中，使用总线方法可以较容易地实现51单片机外部的I/O、RAM、LCD、ADC、DAC等等外设的操作,以弥补51单片机片内外设的不足。

1 MCS51单片机系统的四要素

1.1 51单片机系统的启动

MCS51单片机上电正常工作，需具备以下四点：

(1)电源。AT89S51系列单片机的第40引脚为VCC，外加电压5 V工作电压，另外，单片机的第20引脚是GND，须连接到系统的地。

(2)复位电路。任何处理器都需要在上电时进行自身的复位，51单片机也不例外，上电复位电路是较为简单可靠的电路之一，不可缺少。复位电路如图1所示,该图为带上电复位及手动复位两种结合，二极管D1在系统瞬间掉电能帮助系统快速放电,使系统重新复位，以提高系统的可靠性。

(3)振荡电路。如图2所示，51单片机的第18脚和第19脚为两个外接振荡的引脚，是内部振荡方式的典型电路, 外接的33 pF电容可以提高振荡的稳定性。

(4)EA。AT89S51单片机内部有4 KB的程序存储器，不需要外部的ROM空间，如果不够可以选择AT89S52或其他内部存储器更大的单片机，所以接高电平，即：不使用外部ROM，只使用内部的存储器。

1.2 MCS51单片机系统的存储器结构

MCS51单片机的存储器分为片内和片外两个部分，即：内部的ROM/RAM和外部的ROM/RAM，编写程序时必须清楚每一个存储单元的用途和功能，这样才能更好地进行系统存储器资源的分配。51单片机的另一个特点是外部的RAM空间和I/O空间共用外部的64 KB空间，因为外部总线的地址线为16 bit，所以能够访问的最大地址空间为64 KB。51单片机系统在进行外部扩展时，所有外设的地址都分布在这64 KB的地址范围内，对于RAM来说，地址是连续的；而对于LCD、ADC等等部件，地址是不连续的。

1.3 51单片机的中断系统

AT89S51单片机为用户提供了可屏蔽中断源有5个，分别是：外部中断0(入口地址为：0003H)、外部中断1(入口地址为：000BH)、定时器0(入口地址为：0013H)、定时器1(入口地址为：001BH)和串行中断(入口地址为：0023H)；不可屏蔽中断为复位(入口地址为：0000H)。51系列单片机的其他型号所提供的中断个数不尽相同，所有的单片机都包括上述这6个最基本的中断源，不同公司生产的51内核单片机中断源上有略微的区别。

1.4 51单片机的总线结构

由于51单片机真正可以作为双向I/O口应用的只有P1口，假设系统需要扩展外部的键盘，I/O就所剩无几了。因此，MCS51单片机应用系统设计都不可避免地需要进行系统的扩展，而I/O的扩展则是与系统总线紧密结合的。由于MCS51单片机的外部RAM和I/O口是统一编址的，因此，可以把单片机外部64 KB RAM空间的一部分作为扩展外围I/O口的地址空间。这样，单片机系统就可以把额外的RAM空间用来进行I/O空间的扩展，使用总线方式对外设进行访问[1]。

本文重点之一是介绍采用具有三态缓冲的74HC244芯片和输出带锁存的74HC573芯片来扩展一个4×4的小键盘，缓冲器和锁存器分别占用外部I/O空间中的两个地址。而无论是访问外部的RAM空间还是I/O空间，在进行汇编语言编程时都是通过MOVX指令来实现读写的。在使用C语音进行单片机程序设计时，虽然语言改变了，但是C语言程序反汇编后，访问外部仍然使用的是MOVX指令。因此，分析过程及使用中，都是以汇编语言为例进行扩展设计的。

2 MOVX指令的执行过程

MOVX指令是51单片机访问片外外设的唯一指令，与外部RAM或I/O空间进行数据的读写或者ADC和DAC等都需要使用这条指令。MCS51单片机外部RAM的地址空间为64 KB，地址总线为16 bit，访问外设可执行4条汇编指令：(1)MOVX A,@DPTR;(2)MOVX @DPTR, A;(3)MOVX A, @RI; (4)MOVX @RI, A。其中DPTR为16 bit地址寄存器，地址高8 bit存于DPH，地址低8 bit存于DPL，Ri(i=0,1)是8 bit寄存器，作为地址指针时仅存低8 bit地址。

MCS51执行上述指令时分为两个阶段：首先，是从程序存储器中取出指令代码，并进行译码；然后，执行对外设数据的读写操作。在这两个阶段中，P0口在指令执行过程中是分时复用口，指令前半个周期，低8 bit地址由地址锁存允许信号ALE控制一个8 bit的锁存器输出，接着输出8 bit数据至外部数据总线，P2口在此过程中一直输出高8 bit地址。

由上所述，假设使用R0和R1对外设的进行间接寻址方式的访问，那么可看作是一种页面寻址，将外部的64 KB空间分成了256页，每一页有256 B地址。寄存器P2的当前值决定了当前的页地址。MCS51单片机在复位时，P2端口寄存器数值为FFH，若程序运行中没有改变P2中的值，则R0和R1只能对FF00H~FFFFH范围的外部的间接寻址，即对第255个页面进行访问。往外部空间写1 B时序图如图3所示。

因此，使用DPTR作为数据指针或者是RI，都可以实现对外部64 KB空间的访问。而指令都是使用MOVX，可见MCS51单片机系统中，MOVX指令有着非常重要的作用。

3 时序分析及系统扩展

MCS51单片机的外部总线时序扩展主要包括外部的译码电路、锁存电路等组合逻辑电路，形成整个系统的外部总线，即：数据总线、地址总线、控制总线。

译码电路采用常用的74系列3/8线译码器74LS138，该芯片的A、B、C分别接地址的最高3位，即A13、A14、A15，译码电路如图4所示；138的使能端E3接高电平，E1和E2接的是EN_138，该信号是由单片机系统的读写信号经过组合得来的，当系统对外部的总线进行读写时,读/写信号其中一个为低电平，使得EN_138控制信号输出为一个低电平脉冲信号，此时，3/8线译码器的输出Y0~Y7其中一个也会输出一个低电平脉冲，用此脉冲就可以有效地对外部设备进行片选。逻辑电路如图5所示。

通过这样的组合后就可以在总线上数据有效的时间内，通过74LS138的Y0~Y7控制外设的片选，实现有效的数据读写。尤其是在扩展外部I/O口使用的74系列的逻辑电路芯片时，这个方法尤为重要，因为这类芯片没有外部的读/写信号，只能通过单片机外部的组合逻辑电路输出一个读/写信号宽度的脉冲用以控制此类I/O芯片。若外设信号控制信号为低电平脉冲,则刚好与3/8线译码器的输出匹配，此时直接相连即可；若外设控制信号需要的是高脉冲信号，则必须在3/8线译码器的输出外面再加一级反相器电路，常用的反相器为74LS04。

以写数据往外设为例，得到的时序流程如图6所示。读数据的时序与写数据一致，只是将写信号换成读信号。

4 I/O扩展实例

4.1 行列键盘扩展

如前所述，51单片机供用户使用的I/O只有P1端口的8个引脚，远不能满足系统的需求，这样就必须通过总线的方法进行外部I/O扩展。在这里需要注意的是，51单片机系统外部I/O空间是和外部的RAM空间共用外部64 KB空间的。使用74LS573和74LS244分别进行行列的扩展,其中573锁存行信号，244读回数据，扩展了端口，实现了4×4的矩阵式行列扫描键盘，如图7所示。在此程序略，主要介绍扩展的方法。

图8所示为4×4矩阵键盘连接图。

4.2 大于64 KB空间的扩展

MCS51单片机是8位的微控制器，外部地址总线共16 bit地址，能访问的空间共为64 KB,但是如果系统中所有的外设加起来需要的地址空间超过64 KB时(如128 KB、256 KB的RAM或者需要更多的I/O空间等情况出现)就需要使用P1口或者是P3口不使用的I/O口进行线选法译码或者译码法进行额外的扩展来实现。

这种情况在单片机系统中经常会遇到，本文中介绍一种基于分页原理的扩展方法。51单片机系统虽然只有16条地址总线,在系统需要较大的RAM或I/O空间时，可以将系统中空余的I/O口作为额外的外部地址使用，例如：使用P1.0时进行线选法译码时，就可以扩展外部的128 KB空间。当P1.0为低电平时，选择第1个64 KB空间；当P1.0为高电平时, 选择第2个64 KB空间。

以此类推，假设有更多的空间需求时，还可使用专用译码器进行译码，来进行更多的选择
编辑：hfy