單片機的三總線結構(數據、地址、控制)

2021-02-23 嵌入式ARM

來源 ：eepw


計算機系統是以微處理器為核心的，各器件要與微處理器相連，且必須協調工作，所以在微處理機中引入了總線的概念，各器件共同享用總線，任何時候只能有一個器件發送數據 (可以有多個器件同時接收數據) 。

計算機的總線分為控制總線、地址總線和數據總線等三種。而數據總線用於傳送數據，控制總線用於傳送控制信號， 地址總線則用於選擇存儲單元或外設。


51系列單片機具有完善的總線接口時序，可以擴展控制對象，其直接尋址能力達到64k (2的16次方) 。在總線模式下，不同的對象共享總線，獨立編址、分時復用總線，CPU通過地址選擇訪問的對象，完成與各對象之間的信息傳遞。

數據總線：51單片機的數據總線為P0口，P0口為雙向數據通道，CPU從P0口送出和讀回數據。

地址總線：51系列單片機的地址總線為16位。為了節約晶片引腳，採用P0口復用方式，除了作為數據總線外，在ALE信號時序匹配下，通過外置的數據鎖存器，在總線訪問前半周期從P0口送出低8位地址，後半周期從P0口送出8位數據。高8位地址則通過P2口送出。

控制總線：51系列單片機的控制總線包括讀控制信號P3.7和寫控制信號P3.6等，二者分別作為總線模式下數據讀和數據寫的使能信號。

51單片機總線時序如圖2所示。從圖2中可以看出，完成一次總線 (讀寫) 操作周期為T，P0口分時復用，在T0期間，P0口送出低8位地址，在ALE的下降沿完成數據鎖存，送出低8位地址信號。在T1期間，P0口作為數據總線使用，送出或讀入數據，數據的讀寫操作在讀、寫控制信號的低電平期間完成。

需要注意的是，在控制信號 (讀、寫信號) 有效期間，P2口送出高8位地址，配合數據鎖存器輸出的低8位地址，實現16位地址總線，即64kB範圍的內的尋址。由於CPU不可能同時執行讀和寫操作，所以讀、寫信號不可能同時有效。

51單片機的P2口可以直接作為高8位地址總線使用，在一些簡單系統電路中，常使用P2口直接編址驅動。下面以使用數據緩衝器74LS273驅動數碼顯示為例，分析P2口編址驅動的靜態數碼顯示電路的設計。一位LED數碼顯示單元電路如圖3所示。


WR與A8 (P2.0) 相或提供74LS273的時鐘信號，當執行「MOVX @DPTR，A」指令時，地址信息由DPTR寄存器確定，會出現有效的寫信號WR，只有當地址A8為滿足「0」時，寫信號才可以作為74LS273的時鐘信號輸入，完成數據鎖存。P2口為A8～A15的8位地址線，很容易擴展到8隻LED數碼管，WR信號分別與A8～A15按或關係連接，每位地址線均為低電平有效，即可實現8個有效地址。該方案電路簡單，但有效地址數太少，不適用於複雜系統設計。

通常的設計電路是使用8D鎖存器74LS373實現地址鎖存，74HC573與之邏輯功能相同，只是引腳布局不一樣，使用74HC573布線更容易。74LS373真值表如圖4所示。

在輸出允許OE為L、控制使能LE為H時，輸出為跟隨狀態；OE為L、LE為L時，輸出為保持狀態。地址鎖存電路如圖5所示。OE接地，LE接單片機的ALE腳將產生滿足時序的低8位地址信號。

MOV DPTR，# 0FF55H；低8位地址為55H。

MOV A，# 0AAH；待發送數據0AAH→A (55H取反)。

MOVX，@DPTR，A；A中的0AAH送地址為0FF55H的對象中會。

從圖6中可以看出，P0口先送55H，在ALE下降沿實現地址鎖存，隨後送出數據0AAH，在WR有效 (低電平) 期間鎖存器輸出低8位地址55H，P0口送出數據0AAH。

理論上高8位地址線可以產生256個有效地址，如何實現地址「擴展」呢? 地址擴展準確描述是地址解碼，例如3根地址線可以解碼成8個地址，4根解碼成16個有效地址。這裡選擇3-8解碼器實現地址解碼，電路圖以及對應的編址如表1所示。

帶總線擴展接口的單片機系統，包括外部32k RAM擴展、LCD1602接口、輸入輸出口。帶編址擴展的單片機最小系統電路如圖7所示。

使用74HC573鎖存低8位地址；74138實現8個地址擴展，74138的A、B、C接A8～A10，E1接A15， E2、E3接地常有效，得到0F8FFH到0FFFFH8個地址 (無關位用1表示) 或者8000H到8700H (無關位用0表示) 。32k RAM接口如圖8所示。

D0～D7接數據總線P0口，地址線A0～A14接單片機地址總線低15位，單片機地址線A15接RAM片選信號，低電平有效，這樣RAM地址分配從0000H到7FFFH，與74138解碼地址不衝突。LCD1602接口電路如圖9所示。

RS、RW分別接A12、A13，使能信號編址為Y7，這樣LCD的四個驅動地址 (數據讀寫和命令讀寫) 為0CFFFH到0FFFFH (無關位為1) 或者8700H到0B700H (無關位為0)。有些時候單片機引腳不夠用，還要進行擴展，輸入口擴展電路如圖10所示。
利用74HC573 (74LS373) 的高阻態功能，將其輸出Q0～Q7接P0口，在滿足總線地址讀操作中，可以把輸入InPORT的數據讀入單片機的累加器，地址為0F8FFH或8000H。輸出口擴展電路如圖11所示。


利用74LS273數據鎖存功能，在滿足總線地址寫操作中，可以把單片機累加器裡的數據寫入273鎖存輸出，地址為0F8FFH或8000H。由於所用控制總線不同，可以和輸入共用地址。

總線擴展是設計單片機控制電路必須掌握的技術，大量的特殊功能IC都支持總線接口， 如ADC0809，TLC7528，DDS器件AD9851等。

總線接口的要點就是在嚴格的控制時序下，總線被分時復用，以實現複雜系統設計。

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