单片机的芯片内集成了计算机的基本功能部件，但片内ROM、RAM的容量，并且输入/输出端口，定时器及中断源等内部资源都还是有限的。根据实际需要，必须进行一些功能扩展。

由MCS-51系列单片机的结构可知，虽然芯片内部有4个8位输入/输出端口，但对于众多的外部设备（如键盘、显示器、开关，D-A、A-D转换器以及执行机构等）是不够用的，这时就需要扩展I/O口线。

MCS-51系列单片机扩展的内容主要有总线、程序存储器、数据存储器和输入/输出口扩展等。8031的系统扩展及接口结构如图7-15所示。

图7-15 8031的系统扩展及接口结构

1.总线的扩展

通常情况下，CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS-51系列单片机的数据线和地址线是复用的，而且由I/O口线兼用。为了将它们分离出来，需要在单片机外部增加地址锁存器，从而构成与一般CPU类似的片外三总线，即AB、CB、DB。

2.程序存储器扩展

程序存储器的扩展，对于片内无ROM的单片机是必不可少的工作，程序存储器扩展的容量随应用系统的要求可随意设置。当片内容量不够用时，需要扩充外部程序存储器，而且片内、片外的空间统一进行编址。

（1）程序存储器扩展性能

1）程序存储器有单独的地址编号（0000H～FFFFH），虽然与数据存储器地址重叠，但不会被占用；使用单独的控制信号和指令，程序存储器的指令、数据读取控制不用数据存储器控制和MOVX指令，而是由控制，读取数据用MOVC查表指令。

2）随着大规模集成电路的发展，程序存储器的容量越来越大，所使用的芯片数量越来越少，因此它的地址选择多半采用线选法，而不用地址译码法。

3）程序存储器与数据存储器共用地址总线与数据总线。

（2）外部程序存储器的操作时序 MCS-51系列单片机访问外部程序存储器时，所使用的控制信号有：

ALE：低8位地址锁存控制；

PSEN：外部程序存储器“读取”控制。

EA：片内、片外程序存储器访问控制。当EA=1时，访问片内程序存储器；当EA=0时，访问片外程序存储器。

外部程序存储器的操作时序如图7-16所示。

图7-16 外部程序存储器的操作时序

由于在单片机中程序存储器与数据存储器是严格分开的，因此，程序存储器的操作时序分为两种情况：不执行MOVX指令的时序和执行MOVX指令的时序。

当应用系统中无片外ROM时，不执行MOVX指令，如图7-10a所示。P₀口作为地址线，专门用于输出指向程序存储器的低8位地址PCL。P₂口专门用于输出程序存储器的高8位地址PCH。P₂口具有输出锁存功能，P₀口除了输出地址数据外，还要输入指令，故要用ALE来锁存P₀口输出的地址数据PCL，在每个机器周期中允许地址锁存器两次有效，在下降沿时锁存出现在P₀口上的低8位地址PCL。同时也是每个机器周期中两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令读入片内。

当应用系统中接有外部数据存储器，在执行MOVX指令时，其操作时序如图7-10b所示在指令输入以前，P₂口、P₀口输出的地址PCH、PCL指向程序存储器。在指令输入并判定是MOVX指令后，在该机器周期S₅状态中ALE锁存的P₀的地址数据则不是程序存储器的低8位，而是数据存储器的地址。若执行的是“MOVX A，@DPTR/MOVX @DPTR，A”指令，则此地址就是DPL（数据指针的低8位），同时，在P₂口上出现的是DPH（数据指针的高8位）；若执行的是“MOVX A，@Ri/MOVX @Ri，A”指令，则此地址就是R_i内容。而P₂口提供的是指向数据存储器高8位的P₂口内锁存器的内容，实际上就是下条指令的高8位地址。在同一机器周期中将不再出现有效取指信号。下一个机器周期中ALE的有效锁存信号也不复出现，而当R有效时，P₀将读/写数据存储器中的数据。

3.EPROM的基本扩展电路

用紫外线擦除可编程只读存储器（EPROM）作为单片机外部程序存储器是最为常用的程序存储器扩展方法。MCS-51系列单片机应用系统中使用最多的EPROM程序存储器是In_- tel公司的典型系列芯片2716（2K×8位）、2732A（4K×8位）、2764（8K×8位）、27128（16K×8位）、27256（32K×8位）、27512（64K×8位）等。程序存储器扩展时，除EPROM芯片外，还必须有地址锁存器芯片。

图7-17为EPROM程序存储器基本扩展电路。程序存储器扩展时，一般扩展容量不大于256B，因此，EPROM片内地址除由P₀口经锁存器提供低8位地址线外，还需由P₂口提供若

图7-17 EPROM程序存储器基本扩展电路

干地址线。EPROM所需地址线数决定于EPROM容量，EPROM为2KB时地址线为11根（2K=2¹¹），4KB时地址线为12根（4K=2¹²），依次类推。所需要的高8位地址线由P₂口提供。

如果系统中只扩展一片EPROM时，无需片选控制，EPROM片选端接地即可。如图7-17a中所示，A_n为最高地址位，扩展2KB时，An=A11。扩展两片EPROM时，使用P2口的剩余口线直接接到一片EPROM（1）的片选端，经过反相器后再接到另一片EPROM（2）的片选端E上，如图7-17b所示。

4.数据存储器的扩展

在单片机应用系统中，作为数据存储器使用的有静态读/写存储器RAM、动态读/写存储器DRAM和IRAM以及EEPROM等。

（1）数据存储器扩展性能

1）数据存储器与程序存储器地址重叠编号（0000H～FFFFH），使用不同的控制信号和指令。

2）由于数据存储器与程序存储器地址完全重叠，故两者的地址总线（无论是片内还是片选端线）和数据总线可完全并联使用。但数据存储器只使用、控制线而不用PSEN。(www.daowen.com)

（2）外部数据存储器的操作时序 外部数据存储器的操作时序包括从RAM中读和写两种操作时序。这时所用的控制信号有：（低8位地址锁存信号）、（读信号）（写信号）。

图7-18是外部数据存储器的读/写操作时序。

图7-18 8051访问外部数据存储器操作时序图

1）读片外RAM操作时序。8051单片机若外扩一片RAM，应将其引脚与RAM芯片的引脚连接，引脚与芯片的OE引脚连接。信号锁存低8位地址，以便读片外RAM中的数据。读片外RAM的时序如图7-18a所示。

在第一个机器周期的S₁状态，ALE信号由低变高①，读入RAM周期开始。在S₂状态，CPU把低8位地址送到P₀口总线上，把高8位地址送到P₂口（在执行“MOVX A，@DPTR”指令阶段才送高8位；若是“MOVX A，@Ri”，则不送高8位）。

ALE的下降沿②用来把低8位地址信息锁存到外部锁存器74LS373内③。而高8位地址信息一直锁存在P₂口锁存器中。在S₃状态，P₀口总线变成高阻悬浮状态④。在S₄状态，信号变为有效⑤（是在执行“MOVX A。@DPTR”后使信号有效），信号使得被寻址的片外RAM略过片刻后把数据送上P₂口总线⑥，当回到高电平后⑦，P₀口总线变为悬浮状态。至此，读片外RAM周期结束。

2）写片外RAM操作时序。向片外RAM写（存）数据，是8051执行“MOVX@DV-FR，A”指令后产生的动作。这条指令执行后，在8051的W引脚上产生信号有效电平，此信号使RAM的端被选通。写片外RAM的时序如图7-18b所示。开始的过程与读过程类似，但写的过程是CPU主动把数据送P₀口总线③。此间，P₀口总线上不会出现高阻悬浮现象。在S₄状态，写控制信号有效，选通片外RAM，稍过片刻，P₀口总线上的数据就写到RAM内了。

（3）静态数据存储器扩展 最常用的静态数据存储器RAM芯片有6116（2K×8位）和6224（8K×8位）两种。静态数据存储器扩展电路与程序存储器扩展电路相似，所用的地址线、数字线完全相同，读、写控制线用W、。图7-19为扩展2KB静态RAM的电路。

图7-19 扩展2KB静态RAM的电路

（4）数据存储器EEPROM的扩展 电擦除可编程只读存储器（EEPROM）在单片机应用系统中既可作为程序存储器，又可作为数据存储器。将EEPROM作为数据存储器时，既可直接将它作为片外数据存储器扩展，也可以作为一般外围设备电路扩展。

1）并行EEPROM的扩展电路。图7-20为并行EEPROM的数据存储器扩展示意图。图中，并行EEPROM 2816A可按照典型的数据存储器扩展电路连接方式，如2816A（1）芯片；也可作为外设电路，通过扩展输入/输出口8255连接，如2816A（2）芯片。

图7-20 并行EEPROM的数据存储器扩展示意图

2）串行EEPROM的扩展电路。图7-21为8031扩展59308的电路。59308是NCR公司生产的串行EEPROM。

图7-21 扩展串行EEPROM59308电路

5.I/O的扩展

MCS-51系列单片机虽有4个8位并行I/O口，但这些I/O口并不能完全提供给用户使用。因此，在大部分的MCS-51系列单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O口的扩展。图7-22为用1273作为地址锁存器扩展并行I/O的电路，这里并行I/O芯片采用Z80_- PIO。由于是上升沿触发，因此ALE信号反相后送给地址锁存器的CLK端。

图7-23为8098单片机与并行接口芯片8155的连接示意图。通过单片机写I/O控制寄存器可以设置8155的3个PIO口PA、PB、PC的工作方式（输入/输出、基本/选通、中断/不中断）。

由上述例子可以看出，MCS-51系列和MCS-96系列单片机的I/O与RAM以及扩展I/O和RAM都是统一编址，低位地址线直接按位接到芯片的地址线引脚，而较高位地址直接或过译码后接到如“片选”等控制端。

图7-22 8031与Z80-PIO的连接

图7-23 8098与8155的连接

6.A-D，D-A扩展及应用

由于8031单片机不带A-D、D-A转换器，因此扩展A-D、D-A电路是8031单片机应用中经常遇到的问题。利用ADC 0804与8031相连可组成一个简单的数据采集子系统，如图7-24所示。图中，ADC芯片数据输出线与8031数据线直接相连，、和INT一一对接，用P1.0线产生片选信号，无需外加地址译码器。当8031向ADC 0804发出R（启动转换）、（读入结果）信号时，只要虚拟一个系统不占用的数据存储器地址即可。

图7-24 ADC 0804与8031接口电路

驱动ADC 0804（或ADC 0801）操作的程序如下：