第六章MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展課件

1、第六章MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展6.1 單片機(jī)擴(kuò)展及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6.2 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展6.3 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 6.4 E2PROM擴(kuò)展電路 教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求 本章主要介紹MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器擴(kuò)展，主要有程序存儲(chǔ)器（ROM）擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展等。重點(diǎn)掌握EPROM、E2PROM及RAM與MCS-51系列單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)。單片機(jī)擴(kuò)展及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機(jī)擴(kuò)展及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單片機(jī)擴(kuò)展通常采用總線結(jié)構(gòu)形式 ,整個(gè)擴(kuò)展系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過(guò)總線把各擴(kuò)展部件連接起來(lái)，其形式有如各擴(kuò)展部件“掛”在總線上一樣。擴(kuò)展內(nèi)容可包括程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和

2、I/O接口等。因?yàn)閿U(kuò)展是在單片機(jī)之外進(jìn)行的，因此通常把擴(kuò)展的部件稱之為外部ROM或RAM。 所謂總線，就是連接系統(tǒng)中各擴(kuò)展部件的一組公共信號(hào)線。按其功能通常把系統(tǒng)總線分為三組：即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。1. 地址總線（Address Bus） 地址總線用于傳送單片機(jī)送出的地址信號(hào)，以便進(jìn)行存儲(chǔ)單元和I/O端口的選擇。地址總線的數(shù)目決定著可直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的數(shù)目。例如n位地址，可產(chǎn)生2n個(gè)連續(xù)地址編碼，因此可訪問(wèn)2n個(gè)存儲(chǔ)單元，即通常所說(shuō)的尋址范圍為2n地址單元。MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展最多可達(dá)64kB，即216地址單元，因此，最多可需16位地址線。這16根地址線是由P0口和P2口構(gòu)

3、建的，其中P0 單片機(jī)擴(kuò)展及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)口的8位口線作地址線的低8位，P2口的口線作高位地址線。需要注意的是，在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，P0口還用做數(shù)據(jù)線，因此需采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，對(duì)地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行分離。為此在構(gòu)造地址總線時(shí)要增加一個(gè)8位鎖存器，先把這低8位地址送鎖存器暫存。由地址鎖存器給系統(tǒng)提供低8位地址，然后把P0口作為數(shù)據(jù)線使用。2.數(shù)據(jù)總線（Data Bus） 數(shù)據(jù)總線用于在單片機(jī)與存儲(chǔ)器之間或單片機(jī)與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)與單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)一致。如MCS-51單片機(jī)是8位字長(zhǎng)，所以數(shù)據(jù)總線的位數(shù)也是8位。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，數(shù)據(jù)總線是由P0口構(gòu)造的。3.控制總線（Contr

4、ol Bus） 控制總線是一組控制信號(hào)線。這些信號(hào)線有的是專用信號(hào)線，有的則是第二功能信號(hào)線。其中包括地址鎖存信號(hào)ALE、程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)PSEN、以及讀RD和寫WR信號(hào)等。程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB(0000H0FFFFH)，其中8051、8751片內(nèi)包含有4kB的ROM或EPROM，8752含有8kB的EPROM，8031片內(nèi)不帶ROM。當(dāng)片內(nèi)ROM不夠使用或采用8031芯片時(shí)，需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM、E2PROM和閃速存儲(chǔ)器(Flash)。外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理及時(shí)

5、序程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 CPU讀取的指令有兩種情況：一是不訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令；二是訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令。因此，外部程序存儲(chǔ)器就有兩種操作時(shí)序。 外部程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 外部程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展常用地址鎖存器 在MCS-51單片機(jī)中的16位地址，分為高8位和低8位。高8位由P2口輸出，低8位由P0口輸出。而P0口同時(shí)又是數(shù)據(jù)輸入/輸出口，故在傳送時(shí)采用分時(shí)方式，先輸出低8位地址，然后再傳送數(shù)據(jù)。但是，在對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作時(shí)，16位地址必須保持不變，這就需要選用適當(dāng)?shù)募拇嫫鞔娣诺?位地址，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用

6、地址鎖存器將地址信號(hào)鎖存起來(lái)。 通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373或8282，也可使用帶清除端的8D鎖存器74LS273，地址鎖存信號(hào)為ALE。 74LS373的功能表 OE G功 能 0 1直通（OUTi=Di） 00保持（OUTi保持不變） 1 輸 出 高 阻 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 幾種地址鎖存器的管腳配置與8031的連接方法圖: 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 74LS373和8282都是透明的帶有三態(tài)門的8D鎖存器，可簡(jiǎn)化成如圖結(jié)構(gòu)。程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展常用地址譯碼器 在用多片存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成外部存儲(chǔ)器時(shí)，除了低8位地址需要鎖存之外，還要由高位地址產(chǎn)生

7、片選信號(hào)。產(chǎn)生片選信號(hào)有線選法和譯碼法兩種。 所謂線選法就是用某幾根多余的高位地址線作為存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)存儲(chǔ)器的目的。這種方法由于剩余的高位地址不參加譯碼，可為任意狀態(tài)，所以將有很多地址空間重疊。線選法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)是不同的高位地址線控制不同芯片，使地址空間是不連續(xù)的，故只使用于外擴(kuò)芯片數(shù)目較少、不太復(fù)雜的系統(tǒng)。 所謂譯碼法是由譯碼器組成譯碼電路，譯碼電路將地址空間劃分為若干塊，其輸出分別選通各存儲(chǔ)器芯片。這樣，即充分利用了存儲(chǔ)空間，又克服了空間分散的缺點(diǎn)。若全部地址都參加譯碼，稱為全譯碼；若部分地址參加譯碼，稱為部分譯碼，這時(shí)存在部分地址重疊的情況。程序存儲(chǔ)器EPROM

8、的擴(kuò)展 常用的地址譯碼器是3-8線譯碼器74LS138和雙2-4線譯碼器74LS139。 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 典型EPROM擴(kuò)展電路 1常用的EPROM芯片 紫外線擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM可作為MCS-51單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器，其典型產(chǎn)品是Intel公司的系列芯片2716(2kB8bit)、2732(4kB8bit)、2764(8kB8bit)、27128(16kB8bit)、27256(32kB8bit)和27512(64kB8bit)等。這些芯片上均有一個(gè)玻璃窗口，在紫外光下照射10分鐘左右，存儲(chǔ)器中的各位信息均變?yōu)?，此時(shí)，可以通過(guò)編程器將工作程

9、序固化到這些芯片中。程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 A0A15為地址線；O0O7為數(shù)據(jù)輸出線；CE是片選線，OE/VPP是數(shù)據(jù)輸出選通編程電源線，PGM是編程脈沖輸入端。程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展 2.使用單片EPROM的擴(kuò)展電路 在程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)中，由于所選中的EPROM芯片及地址鎖存器不同，電路的連接方式也有所不同。 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展3.擴(kuò)展多片EPROM的擴(kuò)展電路 與單片EPROM擴(kuò)展電路相比，多片EPROM的擴(kuò)展除片選線CE外，其它均與單片擴(kuò)展電路相同。圖中給出了利用27128擴(kuò)展64k字節(jié)EPROM程序存儲(chǔ)器的方法。片選信號(hào)由譯碼選通法產(chǎn)生。程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展

10、擴(kuò)展多片程序存儲(chǔ)器時(shí)，也可采用線選法產(chǎn)生片選信號(hào)。 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 8031單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。CPU對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但是用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM兩種。動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM相比，具有成本低、功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但它需要刷新電路，以保持?jǐn)?shù)據(jù)信息不丟失，其接口電路較復(fù)雜。故在單片機(jī)系統(tǒng)中沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。隨著存儲(chǔ)器技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了一種新型的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器集成動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器iRAM。它將一個(gè)完整的

11、動(dòng)態(tài)RAM系統(tǒng)（包括動(dòng)態(tài)刷新硬件邏輯）集成到一個(gè)芯片之內(nèi)，從而兼有靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM的優(yōu)點(diǎn)。 與動(dòng)態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無(wú)須考慮為保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴(kuò)展電路較簡(jiǎn)單。但它的功耗及價(jià)格較動(dòng)態(tài)RAM高。盡管如此，目前在單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的RAM還是靜態(tài)RAM，故本節(jié)主要討論靜態(tài)RAM與MCS-51的接口。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作時(shí)序 MCS-51單片機(jī)設(shè)置了專門指令MOVX來(lái)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，共有4條寄存器間接尋址指令。 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 常用的靜態(tài)RAM芯片 在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常見(jiàn)的，由于這種存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)無(wú)需考慮刷新

12、問(wèn)題，因而它與微處理器的接口很簡(jiǎn)單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2kB8）、6264（8kB8）、62128（16kB8）、62256（32kB8）等多種，它們都用單一+5V供電，雙列直插封裝，6116為24引腳封裝，6264、62128、62256為28引腳封裝。這些SRAM的引腳功能描述如下：A0An：地址輸入線;對(duì)6116，n=10;對(duì)6264,n=12;其他的類推。D0D7：雙向數(shù)據(jù)線；CE：是片選輸入線，低電平有效；6264的CS1為高電平，且CE為 低電平時(shí)才選中該芯片。WE：寫允許信號(hào)輸入線，低電平有效；OE：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效；VCC：工作電源+5V。GND：電

13、源地。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 靜態(tài)RAM通常有讀出、寫入和未選中三種工作方式。 SRAM的工作方式選擇表外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展64kB字節(jié)以內(nèi)SRAM的擴(kuò)展 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間地址同外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器一樣，由P2口提供高8位地址，P0口分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外SRAM的讀和寫由8031的RD（P3.1）和WR（P3.6）信號(hào)控制，片選端（CE）由地址譯碼器的譯碼輸出控制。因此，SRAM在與單片機(jī)連接時(shí)，主要解決地址分配、數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線的連接。三片6264對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間表P2.7 P2.6 P2.5 選中芯片 地址范圍 存儲(chǔ)空間 1 1 0 IC1 0C000H

14、0DFFFH 8KB 1 0 1 IC2 0A000H0BFFFH 8KB 0 1 1 IC3 6000H7FFFH 8KB 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展各62128地址分配表138譯碼器輸入 P2.7 P2.6 138譯碼器有效輸出 選中芯片地址范圍 存儲(chǔ)容量0 0 Y0 IC1 0000H3FFFH 16KB 0 1 Y1 IC2 4000H7FFFH 16KB 1 0 Y2 IC3 8000H0BFFFH 16KB 1 1 Y3 IC4 0C000H0FFFFH 16KB 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展超過(guò)64K字節(jié)SRAM的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)64K字節(jié)外

15、部RAM空間是由P0口和P2口提供的16根地址線決定的，要想擴(kuò)大RAM空間，可用增加地址線的辦法來(lái)解決。每增加一根地址線，空間擴(kuò)大一倍。增加地址線的方法有以下兩種：一種是利用P1口增加地址線，另一種是利用擴(kuò)展I/O口的方法增加地址線。 所謂利用P1口增加地址線的方法就是利用P1口作地址線，這樣擴(kuò)展存儲(chǔ)器的地址線可增加到24根。P1口的8根地址線可直接接到存儲(chǔ)器響應(yīng)的地址線上，也可作為譯碼器的輸入信號(hào)線，用來(lái)選擇芯片。具體用法同前面介紹的高8位地址線的用法一樣。比如，當(dāng)選用64K的存儲(chǔ)器芯片（62512）時(shí)，可用P1口作為每一個(gè)64K的片選信號(hào)。即可把64K看成一頁(yè)，而頁(yè)的選擇由P1口控制。利用

16、P1口可選擇256個(gè)64K的頁(yè)。利用P1口增加地址線的方法簡(jiǎn)單，但要占用單片機(jī)的I/O資源。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 利用擴(kuò)展I/O口的方法增加地址線需要一個(gè)鎖存器，并將此鎖存器作為外擴(kuò)RAM的一個(gè)單元，分配一個(gè)地址，利用MOVX指令往鎖存器寫一個(gè)數(shù)，則鎖存器的輸出可作為新增加的地址線。這樣，它就可和MCS-51單片機(jī)的16根地址線及控制線配合選中不同的64K字節(jié)區(qū)。 擴(kuò)展既可讀又可寫的程序存儲(chǔ)器 在單片機(jī)中，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是嚴(yán)格分開(kāi)的，它們使用不同的讀選通控制信號(hào)，通過(guò)不同的讀指令進(jìn)行讀操作。讀程序存儲(chǔ)器時(shí)產(chǎn)生PSEN控制信號(hào)，而訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)產(chǎn)生的是RD信號(hào)。由于程序存放在EPROM

17、中，這就給程序調(diào)試帶來(lái)了困難，因?yàn)榉旁诔绦虼鎯?chǔ)器中的程序只能運(yùn)行卻不能修改，而在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容雖然可以修改，但不能運(yùn)行程序。為解決這一矛盾，可把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片經(jīng)過(guò)特殊的連接，充作程序存儲(chǔ)器使用，使之既可以運(yùn)行程序，又可以修改程序。這時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可稱為仿真的程序存儲(chǔ)器。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 從前面的介紹中我們知道，程序存儲(chǔ)器使用PSEN作選通信號(hào)，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用RD作選通信號(hào)。如果把這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)與門綜合后，再作為RAM存儲(chǔ)芯片的讀選通信號(hào)，即可達(dá)到擴(kuò)展可讀寫程序存儲(chǔ)器的目的。E2PROM擴(kuò)展電路 電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM是近年來(lái)推出的新產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在

18、線修改，并能在斷電的情況下保持修改結(jié)果。它既具有RAM的隨機(jī)讀寫特點(diǎn)，又具有ROM的非易失性優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)單元可重復(fù)進(jìn)行一萬(wàn)次改寫，保留信息的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20年，不存在EPROM在日光下信息緩慢丟失的問(wèn)題。因此，自從E2PROM問(wèn)世以來(lái)，在智能化儀器儀表、控制裝置、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 E2PROM的應(yīng)用特性 對(duì)硬件電路沒(méi)有特殊要求，操作十分簡(jiǎn)單。由于E2PROM片內(nèi)設(shè)有編程所需要的高壓脈沖產(chǎn)生電路，因而無(wú)需外加編程電源和編程脈沖即可完成寫入工作。與RAM芯片相比，E2PROM的寫操作速度慢。 E2PROM擴(kuò)展電路 采用5V電擦除的E2PROM后，通常不需設(shè)置單獨(dú)的擦除操作，可在寫入過(guò)程中自動(dòng)擦

19、抹(傳統(tǒng)EPROM芯片的擦抹需經(jīng)紫外線照射)。但它的擦除/寫入次數(shù)是有限制的，不宜用在數(shù)據(jù)頻繁更新的場(chǎng)合。 將E2PROM作為程序存儲(chǔ)器使用時(shí)，E2PROM應(yīng)按程序存儲(chǔ)器連接方法編址。如果 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，連接方式較靈活，既可按數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或I/O口編址，也可以通過(guò)擴(kuò)展I/O口與系統(tǒng)總線相連。E2PROM擴(kuò)展電路 常用的E2PROM芯片介紹常用的E2PROM芯片有2816/2816A，2817/2817A，2864A等。E2PROM擴(kuò)展電路E2PROM擴(kuò)展電路 2817A與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) Intel2817A是2kB的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，采用單一+5V供電，最大工作電流為150mA

20、，維持電流為55mA，讀出時(shí)間最大為250ns，寫入時(shí)間大約為16ms。片內(nèi)設(shè)有編程所需的高壓脈沖產(chǎn)生電路，無(wú)需外加編程電源和寫入脈沖即可工作。2817A在寫入一個(gè)字節(jié)的指令碼或數(shù)據(jù)之前，自動(dòng)擦除要寫入的單元，因而無(wú)需進(jìn)行專門的擦除操作。E2PROM擴(kuò)展電路E2PROM擴(kuò)展電路 E2PROM 2864A Intel2864A是8K8位電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5 V供電，最大工作電流160mA，最大維持電流60nA，典型讀出時(shí)間250ns。由于芯片內(nèi)部設(shè)有“頁(yè)緩沖器”，因而允許對(duì)其快速寫入。2864A內(nèi)部可提供編程所需的全部定時(shí)，編程結(jié)束可給出查詢標(biāo)志。2864A管腳與6264A完全兼容，為28線雙列直插式封裝。 2864A有四種工作方式: 1. 維持和讀出方式 2864A的維持和讀出方式與普通的EPROM或SRAM完