一、總線概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(xié)調(diào)工作，所以在微處理機(jī)中引入了總線的概念，各器件共同享用總線，任何時(shí)候只能有一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)(可以有多個(gè)器件同時(shí)接收數(shù)據(jù)) 。

計(jì)算機(jī)的總線分為控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線等三種。而數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)，控制總線用于傳送控制信號(hào)， 地址總線則用于選擇存儲(chǔ)單元或外設(shè)。

二、單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)

51系列單片機(jī)具有完善的總線接口時(shí)序，可以擴(kuò)展控制對(duì)象，其直接尋址能力達(dá)到64k( 2的16次方) 。在總線模式下，不同的對(duì)象共享總線，獨(dú)立編址、分時(shí)復(fù)用總線，CPU 通過(guò)地址選擇訪問(wèn)的對(duì)象，完成與各對(duì)象之間的信息傳遞。

單片機(jī)三總線擴(kuò)展示意如圖1 所示。

1、數(shù)據(jù)總線

51 單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線為P0 口，P0 口為雙向數(shù)據(jù)通道，CPU 從P0 口送出和讀回?cái)?shù)據(jù)。

2、地址總線

51 系列單片機(jī)的地址總線為16 位。

為了節(jié)約芯片引腳，采用P0 口復(fù)用方式，除了作為數(shù)據(jù)總線外，在ALE 信號(hào)時(shí)序匹配下，通過(guò)外置的數(shù)據(jù)鎖存器，在總線訪問(wèn)前半周期從P0口送出低8位地址，后半周期從P0 口送出8 位數(shù)據(jù)。

高8位地址則通過(guò)P2 口送出。

3、控制總線

51 系列單片機(jī)的控制總線包括讀控制信號(hào)P3.7 和寫控制信號(hào)P3.6 等，二者分別作為總線模式下數(shù)據(jù)讀和數(shù)據(jù)寫的使能信號(hào)。

三、單片機(jī)總線時(shí)序分析

51 單片機(jī)總線時(shí)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(shí)復(fù)用，在T0 期間，P0 口送出低8 位地址，在ALE 的下降沿完成數(shù)據(jù)鎖存，送出低8位地址信號(hào)。在T1 期間，P0 口作為數(shù)據(jù)總線使用，送出或讀入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的讀寫操作在讀、寫控制信號(hào)的低電平期間完成。

需要注意的是，在控制信號(hào)( 讀、寫信號(hào)) 有效期間，P2 口送出高8位地址，配合數(shù)據(jù)鎖存器輸出的低8 位地址，實(shí)現(xiàn)16 位地址總線，即64kB 范圍的內(nèi)的尋址。

由于CPU不可能同時(shí)執(zhí)行讀和寫操作，所以讀、寫信號(hào)不可能同時(shí)有效。

四、常見(jiàn)單片機(jī)編址電路

1、簡(jiǎn)單地址擴(kuò)展

51 單片機(jī)的P2 口可以直接作為高8位地址總線使用，在一些簡(jiǎn)單系統(tǒng)電路中，常使用P2口直接編址驅(qū)動(dòng)。

下面以使用數(shù)據(jù)緩沖器74LS273 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示為例，分析P2 口編址驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)數(shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì)。

一位LED 數(shù)碼顯示單元電路如圖3 所示。

WR 與A8( P2.0) 相或提供74LS273的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)執(zhí)行“MOVX @DPTR，A”指令時(shí)，地址信息由DPTR 寄存器確定，會(huì)出現(xiàn)有效的寫信號(hào)WR，只有當(dāng)?shù)刂稟8 為滿足“0”時(shí)，寫信號(hào)才可以作為74LS273 的時(shí)鐘信號(hào)輸入，完成數(shù)據(jù)鎖存。

P2 口為A8～A15 的8 位地址線，很容易擴(kuò)展到8 只LED 數(shù)碼管，WR 信號(hào)分別與A8～A15 按或關(guān)系連接，每位地址線均為低電平有效，即可實(shí)現(xiàn)8 個(gè)有效地址。

該方案電路簡(jiǎn)單，但有效地址數(shù)太少，不適用于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2、低8 位地址鎖存

通常的設(shè)計(jì)電路是使用8D 鎖存器74LS373 實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)、控制使能LE 為H 時(shí)，輸出為跟隨狀態(tài);OE 為L(zhǎng)、LE 為L(zhǎng) 時(shí)，輸出為保持狀態(tài)。

地址鎖存電路如圖5 所示。OE 接地，LE 接單片機(jī)的ALE腳將產(chǎn)生滿足時(shí)序的低8 位地址信號(hào)。

執(zhí)行以下三條指令會(huì)得到如圖6所示的時(shí)序圖。

MOV DPTR，# 0FF55H;低8 位地址為55H

MOV A，# 0AAH;待發(fā)送數(shù)據(jù)0AAH→A( 55H 取反)

MOVX，@DPTR，A;A 中的0AAH送地址為0FF55H 的對(duì)象中會(huì)。

從圖6 中可以看出，P0 口先送55H，在ALE 下降沿實(shí)現(xiàn)地址鎖存，隨后送出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)0AAH。

3、帶譯碼器的復(fù)雜地址接口電路

理論上高8 位地址線可以產(chǎn)生256 個(gè)有效地址，如何實(shí)現(xiàn)地址“擴(kuò)展”呢? 地址擴(kuò)展準(zhǔn)確描述是地址譯碼，例如3 根地址線可以譯碼成8 個(gè)地址，4根譯碼成16 個(gè)有效地址。這里選擇3-8 譯碼器實(shí)現(xiàn)地址譯碼，電路圖以及對(duì)應(yīng)的編址如表1 所示。

五、單片機(jī)總線編址電路實(shí)例

總線擴(kuò)展接口的單片機(jī)系統(tǒng)，包括外部32k RAM 擴(kuò)展、LCD1602 接口、輸入輸出口。

D0～D7 接數(shù)據(jù)總線P0 口，地址線A0～A14接單片機(jī)地址總線低15 位，單片機(jī)地址線A15 接RAM 片選信號(hào)，低電平有效，這樣RAM 地址分配從0000H 到7FFFH，與74138 譯碼地址不沖突。

LCD1602 接口電路如圖9 所示。

RS、RW 分別接A12、A13，使能信號(hào)編址為Y7，這樣LCD 的四個(gè)驅(qū)動(dòng)地址( 數(shù)據(jù)讀寫和命令讀寫) 為0CFFFH 到0FFFFH ( 無(wú)關(guān)位為1) 或者8700H 到0B700H( 無(wú)關(guān)位為0)。

有些時(shí)候單片機(jī)引腳不夠用，還要進(jìn)行擴(kuò)展，輸入口擴(kuò)展電路如圖10 所示。

利用74HC573( 74LS373) 的高阻態(tài)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(shù)據(jù)讀入單片機(jī)的累加器，地址為0F8FFH 或8000H。

輸出口擴(kuò)展電路如圖11 所示。

利用74LS273 數(shù)據(jù)鎖存功能，在滿足總線地址寫操作中，可以把單片機(jī)累加器里的數(shù)據(jù)寫入273 鎖存輸出，地址為0F8FFH 或8000H。由于所用控制總線不同，可以和輸入共用地址。

六、結(jié)束語(yǔ)

總線擴(kuò)展是設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路必須掌握的技術(shù)，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(diǎn)就是在嚴(yán)格的控制時(shí)序下，總線被分時(shí)復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。