单片机的三总线结构详述

1总线概述

计算机系统是以微处理器为核心的，各器件要与微处理器相连，且必须协调工作，所以在微处理机中引入了总线的概念，各器件共同享用总线，任何时候只能有一个器件发送数据 (可以有多个器件同时接收数据) 。

计算机的总线分为控制总线、地址总线和数据总线等三种。而数据总线用于传送数据，控制总线用于传送控制信号， 地址总线则用于选择存储单元或外设。

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单片机的三总线结构

51系列单片机具有完善的总线接口时序，可以扩展控制对象，其直接寻址能力达到64k (2的16次方) 。在总线模式下，不同的对象共享总线，独立编址、分时复用总线，CPU通过地址选择访问的对象，完成与各对象之间的信息传递。

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2020-7-23 22:00 上传

数据总线：51单片机的数据总线为P0口，P0口为双向数据通道，CPU从P0口送出和读回数据。

地址总线：51系列单片机的地址总线为16位。为了节约芯片引脚，采用P0口复用方式，除了作为数据总线外，在ALE信号时序匹配下，通过外置的数据锁存器，在总线访问前半周期从P0口送出低8位地址，后半周期从P0口送出8位数据。高8位地址则通过P2口送出。

控制总线：51系列单片机的控制总线包括读控制信号P3.7和写控制信号P3.6等，二者分别作为总线模式下数据读和数据写的使能信号。

3单片机总线时序分析

51单片机总线时序如图2所示。从图2中可以看出，完成一次总线 (读写) 操作周期为T，P0口分时复用，在T0期间，P0口送出低8位地址，在ALE的下降沿完成数据锁存，送出低8位地址信号。在T1期间，P0口作为数据总线使用，送出或读入数据，数据的读写操作在读、写控制信号的低电平期间完成。

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需要注意的是，在控制信号 (读、写信号) 有效期间，P2口送出高8位地址，配合数据锁存器输出的低8位地址，实现16位地址总线，即64kB范围的内的寻址。

由于CPU不可能同时执行读和写操作，所以读、写信号不可能同时有效。

4常见单片机编址电路

简单地址扩展

51单片机的P2口可以直接作为高8位地址总线使用，在一些简单系统电路中，常使用P2口直接编址驱动。下面以使用数据缓冲器74LS273驱动数码显示为例，分析P2口编址驱动的静态数码显示电路的设计。一位LED数码显示单元电路如图3所示。

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WR与A8 (P2.0) 相或提供74LS273的时钟信号，当执行“MOVX @DPTR，A”指令时，地址信息由DPTR寄存器确定，会出现有效的写信号WR，只有当地址A8为满足“0”时，写信号才可以作为74LS273的时钟信号输入，完成数据锁存。

P2口为A8～A15的8位地址线，很容易扩展到8只LED数码管，WR信号分别与A8～A15按或关系连接，每位地址线均为低电平有效，即可实现8个有效地址。

该方案电路简单，但有效地址数太少，不适用于复杂系统设计。

低8位地址锁存

通常的设计电路是使用8D锁存器74LS373实现地址锁存，74HC573与之逻辑功能相同，只是引脚布局不一样，使用74HC573布线更容易。74LS373真值表如图4所示。

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在输出允许OE为L、控制使能LE为H时，输出为跟随状态；OE为L、LE为L时，输出为保持状态。地址锁存电路如图5所示。OE接地，LE接单片机的ALE脚将产生满足时序的低8位地址信号。

执行以下三条指令会得到如图6所示的时序图：

MOV DPTR，# 0FF55H；低8位地址为55H。MOV A，# 0AAH；待发送数据0AAH→A (55H取反)。MOVX，@DPTR，A；A中的0AAH送地址为0FF55H的对象中会。

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从图6中可以看出，P0口先送55H，在ALE下降沿实现地址锁存，随后送出数据0AAH，在WR有效 (低电平) 期间锁存器输出低8位地址55H，P0口送出数据0AAH。

带译码器的复杂地址接口电路

理论上高8位地址线可以产生256个有效地址，如何实现地址“扩展”呢? 地址扩展准确描述是地址译码，例如3根地址线可以译码成8个地址，4根译码成16个有效地址。这里选择3-8译码器实现地址译码，电路图以及对应的编址如表1所示。

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5单片机总线编址电路实例

带总线扩展接口的单片机系统，包括外部32k RAM扩展、LCD1602接口、输入输出口。带编址扩展的单片机最小系统电路如图7所示。

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使用74HC573锁存低8位地址；74138实现8个地址扩展，74138的A、B、C接A8～A10，E1接A15， E2、E3接地常有效，得到0F8FFH到0FFFFH8个地址 (无关位用1表示) 或者8000H到8700H (无关位用0表示) 。32k RAM接口如图8所示。

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D0～D7接数据总线P0口，地址线A0～A14接单片机地址总线低15位，单片机地址线A15接RAM片选信号，低电平有效，这样RAM地址分配从0000H到7FFFH，与74138译码地址不冲突。LCD1602接口电路如图9所示。

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RS、RW分别接A12、A13，使能信号编址为Y7，这样LCD的四个驱动地址 (数据读写和命令读写) 为0CFFFH到0FFFFH (无关位为1) 或者8700H到0B700H (无关位为0)。有些时候单片机引脚不够用，还要进行扩展，输入口扩展电路如图10所示。

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利用74HC573 (74LS373) 的高阻态功能，将其输出Q0～Q7接P0口，在满足总线地址读操作中，可以把输入InPORT的数据读入单片机的累加器，地址为0F8FFH或8000H。输出口扩展电路如图11所示。

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利用74LS273数据锁存功能，在满足总线地址写操作中，可以把单片机累加器里的数据写入273锁存输出，地址为0F8FFH或8000H。由于所用控制总线不同，可以和输入共用地址。

6结束语

总线扩展是设计单片机控制电路必须掌握的技术，大量的特殊功能IC都支持总线接口， 如ADC0809，TLC7528，DDS器件AD9851等。

总线接口的要点就是在严格的控制时序下，总线被分时复用，以实现复杂系统设计。