单片机最小应用系统及外部扩展总线

单片机的最小应用系统，是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。

最小应用系统的功能取决于单片机芯片的技术水平。对于片内有ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统即为配有晶振、复位电路和电源的单个单片机;对于片内无ROM/EPROM的单片机，其最小系统除了外部配置晶振、复位电路和电源外，还应当外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用。

8051/8751最小应用系统

8051/8751单片机内含有ROM/EPROM，用8051/8751单片机构成最小应用系统时，只需将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图7-1所示，因没有外部存储器扩展，这时接高电平，P0、P1、P2、P3都可作用户I/O口使用。

用8051/8751芯片构成的最小系统简单、可靠。但由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。同时，P0、P1、P2口的应用与开发环境差别较大。8051的应用软件须依靠半导体厂家用半导体掩膜技术置入，故8051应用系统一般用作大批量生产的应用系统。

图7-1　8051和8751最小应用系统电路

8031最小应用系统

8031单片机片内无程序存储器，因此，其最小应用系统必须在片外扩展EPROM。图7-2所示为8031外接程序存储器的最小应用系统。

图7-2　8031最小应用系统

与8051/8751最小应用系统一样，也必须有复位及时钟电路。片选线

直接接地，表明选择外部存储器;片外4K字节单元地址要求地址线12根(A 0 ～A 1 1)，由P0和P2.0～P2.3组成;程序存储器的取指信号为

;地址锁存器的锁存信号为ALE。 7.1.3 MCS-51系列单片机的外部扩展总线

在进行系统扩展中，首先需要面对的问题是如何与外围芯片连接。为了方便解决这一问题，往往利用地址锁存器将单片机形成三总线结构，即地址总线(Address Bus)、数据总线(Data Bus)和控制总线(Control Bus)，如图7-3所示。

➢ 地址总线： P2口作为地址总线的高8位，在访问16位的地址时，用于输出16位地址的高8位A 15 ～A 8 ;P0口分时复用地址/数据总线，地址锁存器用于锁存低8位地址A 7 ～A 0 。

图7-3　单片机三总线结构

提示

地址总线的根数决定了单片机可以访问的存储单元数量和I/O端口的数量。n条地址线可以产生2 n 个地址编码。

常用的地址锁存器为74LS373，构成地址总线时，它的8个输入端与P0口相连，其使能端连接单片机的ALE端。ALE信号为1时，P0口输出的数据被地址锁存器锁存，用作地址信号A 7 ～A 0 ;ALE信号为0时，P0口用于传输指令或数据(此时地址锁存器中的地址信号保持不变，能够保证数据传输给正确的地址)。

➢ 数据总线： P0口用作数据总线，数据总线是双向的，既可以由单片机传到外部芯片，也可以由外部芯片传入单片机。

➢ 控制总线： 控制总线主要负责对芯片的选通以及读/写等控制。引脚功能已在第二章中进行了详细介绍，这里不再赘述。

基于AT89S51单片机接口电路的时序仿真研究

侯进旺

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528000）

摘要 ：高阻态是数字电路接口器件一个重要的状态，是接口电路的硬件设计中容易忽视的一种状态。本文分析研究在某机床控制中74LS373接口芯片在单片机总线技术扩展I/O口时出现的总线冲突的时序仿真，使用接口芯片的高阻态可以有效解决多芯片I/O扩展时的总线冲突。

0引言

在基于单片机的工业产品控制电路设计中，输入输出通道电路通常较多地关心信号传输中输入输出通道的高、低电平，对高阻态关注较少。实际上硬件设计如果对芯片的高阻态不注意，将会造成控制电路中接口芯片短路烧毁。下面针对基于AT89S51单片机［1］总线技术进行I/O扩展时接口芯片74LS373高阻态的时序进行仿真分析研究。

1基于单片机I/O扩展接口电路的硬件设计

1.1基本扩展电路

接口芯片74LS373是一个三态8D锁存器，通常用于单片机的输入输出接口，其元件原理图和功能表如图1所示。

图174LS373原理图与功能表从图1功能表中知，当OE端为低电平，控制端LE为高电平时，输入D端的数据传送到输出端Q；当OE和LE同为低电平时，输出端Q保持原态（与输入D无关）；当OE为高电平时，无论LE、D如何，输出均保持高阻态。

图2所示电路为基于单片机AT89S51总线技术和两片接口芯片74LS373进行I/O口扩展的电路［2］。U2扩展输出接口，U3扩展输入接口。U2和U3的接口地址分别为7FFFH和FEFFH。

在对图2电路进行PROTEUS［3］仿真时，设置输入开关的数据为01110110（76H)，执行如下指令：

MOV DPTR,#0FEFFH

MOVX A,@DPTR ;读入U3开关数据

NOP

MOV DPTR,#7FFFH

MOV A,#55H

MOVX @DPTR,A ；向U2输出01010101

利用PROTEUS软件仿真得到基本电路图2的仿真时序图，如图3。从时序图中看出，在RD信号有效（低电平）之前，AD（0..7）（P0）数据为高阻态，说明在读U3时数据出现错误（正确应为FFH）；在WR信号（低电平）前后，P0上的数据也为高阻态（正确应分别为FFH和55H），说明在U2输出时数据也出现错误；同时在对图2的电路仿真时，P0口的数据信号出现短路现象。图2基于单片机AT89S51总线技术和接口芯片

74LS373进行I/O口扩展的电路

分别对U2和U3执行输出和输入指令，通过时序分析知，U2的输出数据正确，U3的数据出现错误。

图5重新设计后电路的仿真时序图（下转第48页）1.2输入接口的扩展电路错误原因分析

从74LS373的功能表可以看出，当OE端保持在低电平，LE同时为低时，其输出保持原态，说明74LS373具有锁存功能。由于图2电路中U3的OE端常接地，使得总线始终被U3占领：当U3的LE为高时，芯片外部输入的开关信号送到芯片输出，当U3的LE为低时，其U2输出的数据状态被保持锁存，也就意味着数据总线P0口被U3保持在输入开关决定的数据。

事实上AT89S51单片机通过MOVX指令访问U2和U3时，先将U2和U3的口地址分别输出到P2口（高8位地址）和P0口（低8位地址），输出到P0的低8位地址数据可能与U3输入并保持的数据不同，从而造成P0口的数据冲突。

1.3解决数据冲突的方法

从上述分析可以看出，造成数据冲突的原因是输入芯片U3的OE端常接地，使得单片机数据总线始终被U3芯片占据。因此在硬件设计时应该避免单片机的总线始终被某一个芯片占据的现象。

事实上，从74LS373的功能表看，它还有一个高阻态，只要保证当单片机不访问U3时或者U3被访问而在寻址阶段时，使U3的输出端始终保持高阻态，这样就能避免数据冲突。

如图4为修改后的U3控制电路，OE信号由U4A或非门输出信号取反得到。仿真结果如图5所示。在执行读入U3的指令后，数据总线（P0）上的数据为76H；在执行输出U2指令后，数据总线（P0）上的数据为55H，输入输出结果正确。

2结论

通过以上分析和仿真，在基于单片机控制的电子电路设计中，时序的仿真分析是查找硬件电路错误的有效方法。

防止总线上数据冲突是硬件工程师在硬件电路设计中需要认真考虑的问题，而高阻态也是硬件电路设计中常用到的，这也是硬件工程师在电路设计中容易忽视的地方。

在使用单片机总线扩展I/O口时，常需要多个输入输出芯片时，正确运用接口芯片的高阻态是解决总线数据冲突的有效方法。

若接口芯片输出无高阻态控制，则该芯片不能用于输入接口扩展。在使用单片机总线技术扩展I/O口时，硬件设计必须要保证总线被单片机访问的接口芯片占据，而且不被访问的接口芯片与总线脱离。硬件设计时应该避免单片机的总线始终被某一个芯片占据。

参考文献

［1］ 余永权.Atmel89 系列单片机应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［2］ 高玉琴.单片机原理与应用及C51编程技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］ 张靖武，周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真［M］.北京：电子工业出版社，2007.

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