一、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。

二、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。

單片機三總線擴展示意如圖1 所示。

1、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)。

2、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。

3、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。

三、單片機總線時序分析

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(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。

四、常見單片機編址電路

1、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)碼顯示電路的設計。

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)設計。

2、低8 位地址鎖存

通常的設計電路是使用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。

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。

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。

3、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。

五、單片機總線編址電路實例

帶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。

帶編址擴展的單片機最小系統(tǒng)電路如圖7 所示。

使用74HC573 鎖存低8 位地址;74138 實現(xiàn)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(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。

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(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。

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。

六、結(jié)束語

總線擴展是設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)設計。