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1.總線概述

計算機系統(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(fā)送數(shù)據(jù)(可以有多個器件同時接收數(shù)據(jù)) 。

計算機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， 地址總線則用于選擇存儲單元或外設(shè)。

2.單片機的三總線結(jié)構(gòu)

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。

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數(shù)據(jù)總線

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

地址總線

51系列單片機的地址總線為16位。

為了節(jié)約芯片引腳，采用P0口復用方式，除了作為數(shù)據(jù)總線外，在ALE信號時序匹配下，通過外置的數(shù)據(jù)鎖存器，在總線訪問前半周期從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(shù)據(jù)讀和數(shù)據(jù)寫的使能信號。

3.單片機總線時序分析

51單片機總線時序如圖2所示：

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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T 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。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(shù)據(jù)鎖存器輸出的低8位地址，實現(xiàn)16位地址總線，即64kB范圍的內(nèi)的尋址。

由于CPU不可能同時執(zhí)行讀和寫操作，所以讀、寫信號不可能同時有效。

4.常見單片機編址電路

簡單地址擴展

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(tǒng)電路中，常使用P2口直接編址驅(qū)動。

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

一位LED數(shù)碼顯示單元電路如圖3所示：

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

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

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

低8位地址鎖存

通常的設(shè)計電路是使用8D鎖存器74LS373實現(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：

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在輸出允許OE為L、控制使能LE為H時，輸出為跟隨狀態(tài)；OE為L、LE為L時，輸出為保持狀態(tài)。

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

執(zhí)行以下三條指令會得到如圖6所示的時序圖。

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的對象中會

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從圖6中可以看出，P0口先送55H，在ALE下降沿實現(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。

帶譯碼器的復雜地址接口電路

理論上高8位地址線可以產(chǎn)生256個有效地址，如何實現(xiàn)地址“擴展”呢? 地址擴展準確描述是地址譯碼，例如3根地址線可以譯碼成8個地址，4根譯碼成16個有效地址。這里選擇3-8譯碼器實現(xiàn)地址譯碼，電路圖以及對應的編址如表1所示。

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5.單片機總線編址電路實例

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

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D0～D7接數(shù)據(jù)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譯碼地址不沖突。

LCD1602接口電路如圖9所示：

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RS、RW分別接A12、A13，使能信號編址為Y7，這樣LCD的四個驅(qū)動地址(數(shù)據(jù)讀寫和命令讀寫)為0CFFFH到0FFFFH(無關(guān)位為1)或者8700H到0B700H(無關(guān)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：

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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)讀入單片機的累加器，地址為0F8FFH或8000H。

輸出口擴展電路如圖11所示：

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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。

6.結(jié)束語

總線擴展是設(shè)計單片機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。

總線接口的要點就是在嚴格的控制時序下，總線被分時復用，以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)設(shè)計。