第8章外部存儲器并行擴展

北京理工大學(xué)光電學(xué)院2021.9第8章

AT89S52單片機外部存儲器的擴展第8章

AT89S52單片機外部存儲器的并行擴展3存儲器介紹系統(tǒng)并行擴展結(jié)構(gòu)地址空間分配和外部地址鎖存器靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器RAM的并行擴展片內(nèi)Flash存儲器的編程E2PROM的并行擴展【例】電子密碼鎖的片外存儲器U3

：M28C16

容量為2K×8

位的

E2PROM，可被電信號擦除（刪除）所保存的數(shù)據(jù)，之后亦可被適當?shù)碾娦盘柊研碌臄?shù)據(jù)寫入。44存儲器容量的描述在單片機系統(tǒng)中，存儲器所能存儲的二進制數(shù)的多少取決于該存儲器的容量。存儲器組織存儲器內(nèi)部都有一定的組織結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)。存儲器的輸入/輸出端線有幾位，則存儲器組織中每個單元就有幾位，與器件的管腳對應(yīng)。任一存儲器都包含2n個單元，其中n是器件地址線的位數(shù)。每一個單元中包含m個位，m是器件的數(shù)據(jù)線的位數(shù)。整個存儲器的容量為2n×mbits。在數(shù)據(jù)線位數(shù)一定的情況下（如8位），地址線的位數(shù)越多（n越大），存儲器的容量也就越大。5讀存儲器與寫存儲器存儲器的操作都圍繞著讀與寫進行，讀與寫都涉及到存儲器的尋址。在寫操作中進入存儲器和在讀操作中從存儲器傳出的數(shù)據(jù)都通過數(shù)據(jù)線（Data

Bus），數(shù)據(jù)線是雙向的。以字節(jié)為組織的存儲器最少需要8位數(shù)據(jù)線保證數(shù)據(jù)地并行交換。在讀或?qū)懖僮髦?，地址被選定后以二進制碼的形式出現(xiàn)在存儲器的地址線（Address Bus）上，經(jīng)過存儲器內(nèi)部的地址解碼器解碼后，存儲器單元中對應(yīng)地址被選中。6寫存儲器操作寫操作（分三步）：給出地址、送出數(shù)據(jù)、輸出寫有效信號。7讀存儲器操作讀操作：給出地址、發(fā)出讀信號、讀取數(shù)據(jù)。8存儲器類型——RAM和ROMRAM（Random

Access

Memory）：隨機訪問存儲器。存儲單

元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的

位置無關(guān)。可以隨時讀寫，而且速度很快，但掉電后數(shù)據(jù)丟失，通常作為CPU運行時臨時數(shù)據(jù)存儲。ROM（Read

Only

Memory）：只讀存儲器。而ROM可以在掉電后保存住數(shù)據(jù)，所以ROM都是非易失性存儲器。9RAM家族RAM有兩大類：SRAM（靜態(tài)RAM）和DRAM（動態(tài)RAM）。10SRAM的存儲單元所有SRAM的存儲單元都由觸發(fā)器擔(dān)當，1位存儲單元由6只MOS管組成。當向存儲單元供電時，它能持續(xù)地保存狀態(tài)1或0，直到掉電數(shù)據(jù)丟失為止。11SRAM的存儲單元SRAM是由許多存儲單元組成的矩陣。12單片機接口常用的RAM——ASRAM13ASRAM（Async.Static

RAM）：異步SRAM，是RAM的一種，其特點是操作與系統(tǒng)時鐘不同步。常用的ASRAM芯片單片機系統(tǒng)中常用的RAM芯片的典型型號有6116（2KB

），6264（8KB），62128（16KB），62256（32KB）。其中6116為24腳封裝，6264、62128、62256為28腳封裝，同封裝的器件管腳兼容。容量：2048×8

bit功耗：操作時80～150mA；維持時ICC為2mA存儲時間：15～45ns14ASRAM寫時序?qū)憯?shù)據(jù)時的

參考時序圖：一個寫操作

周期中，有

一個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)寫

入指定的存

儲器地址上。15ASRAM讀時序存儲器的讀、寫操作由讀寫控制端WE*來決定：WE

*=1

為讀操作

WE

*=0

為寫操作16ROM家族ROM家族中的主要成員：mask

ROMPROMEPROMEEPROMFlash……17Mask

ROM18Mask

ROM是“掩膜只讀存儲器”，Mask

ROM在生產(chǎn)時廠家會按照客戶的要求把數(shù)據(jù)保存在其中，一旦生產(chǎn)出來后的數(shù)據(jù)無法修改，通常存儲一些不用修改的數(shù)據(jù)信息。PROM是“可編程只讀存儲器”，它在編程結(jié)束后（寫入數(shù)據(jù)后），只能讀取其中的數(shù)據(jù)而不能擦除或修改。PROM19UV

EPROMEPROM是“可擦除可編程序只讀存儲器”。不但在新買回來時可以往

里面燒寫數(shù)據(jù)，還可以在任何時候把數(shù)據(jù)擦除掉，再往其中寫入新數(shù)20據(jù)。EPROM芯片EPROM擴展的典型產(chǎn)品有：2716（2KB）、2732（4KB)、2764

（

8KB

）

、27128

（

16KB

）、27256

（

32KB)

、27512（64KB），它們的主要差別只是地址線的增減。在管腳上，與同容量的SRAM保持兼容。21EEPROM（E2PROM）EEPROM是“電可擦可寫只讀存儲器” ，直接用電信號就能實現(xiàn)存儲器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入。單片機就可以對EEPROM進行數(shù)據(jù)的擦除和寫入，并在掉電后仍然保存這些數(shù)據(jù)。22并行E2PROM芯片常見的并行芯片有2816/2816A

，2817/2817A

，2864A

等。2KB

的E2PROM

2816與相同容量的EPROM

2716和SRAM

6116兼容，8KB的2864A與同容量的EPROM

2764和SRAM6264也是兼容的。2816、2817和2864A的讀出數(shù)據(jù)時間均為250ns，寫入時間10ms。23E2PROM的工作方式E2PROM

2864A擁有4種工作方式：1．讀方式——與RAM/EPROM相同當CE*和OE*均為低而WE*為高時，內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖器被打開，數(shù)據(jù)送上總線，此時可進行讀操作。寫方式2864A提供兩種數(shù)據(jù)寫入方式：頁寫入和字節(jié)寫入。頁寫入為提高寫速度，2864A片內(nèi)設(shè)置16字節(jié)的“頁緩沖器”，將整個存儲器陣列劃分成512頁，每頁16字節(jié)。高9位(A12～A4)

確定頁，低4位(A3～A0)

選擇頁緩沖器中的16個地址單元之一。頁寫入步驟：第1步，在軟件控制下把數(shù)據(jù)寫入頁緩沖器（頁裝載），與一般SRAM寫操作一樣。第2步，在最后一個字節(jié)(即第16個字節(jié))寫入到頁緩沖器后20ns自動開始，把頁緩沖器的內(nèi)容寫到E2PROM陣列中對應(yīng)地址的單元中（頁存儲）。寫方式時，CE*為低，在WE*下降沿，地址碼A12～A0被片內(nèi)鎖存器鎖存，在WE*上升沿數(shù)據(jù)被鎖存。片內(nèi)有一個字節(jié)裝載限時定時器，只要時間未到，數(shù)據(jù)可隨機地寫入頁緩沖器，寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)時間TBLW須滿足：3μs<TBLW<20μs。24（2）字節(jié)寫入與頁寫入類似，寫入一個字節(jié)，限時定時器就溢出。數(shù)據(jù)查詢方式用軟件來檢測寫操作中頁存儲周期是否完成。在頁存儲期間，如對2864A執(zhí)行讀操作，那么讀出的是最后寫入的字節(jié)，若芯片的轉(zhuǎn)儲工作未完成，則讀出數(shù)據(jù)的最高位是原來寫入字節(jié)最高位的反碼。據(jù)此，單片機可判斷芯片的編程是否結(jié)束。如果讀出的數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)相同，表示芯片已完成編程，可繼續(xù)向2864A裝載下一頁數(shù)據(jù)。維持方式當CE*為高電平時，2864A進入低耗維持方式。此時，輸出線呈高阻態(tài)，芯片的電流從140mA降至維持電流60mA。25EEPROM的簡化版——FlashFLASH和EEPROM的最大區(qū)別：FLASH按扇區(qū)操作EEPROM則按字節(jié)操作Flash存儲器滿足了大容量、非易失性、在線擦寫、快速訪問、廉價的要求。26Flash的操作Flash的操作有3種：擦除操作、編程操作（也就是寫操作）、讀操作。擦除操作27編程操作讀操作Flash存儲器與其他存儲器相比的特點與PROM、EPROM、EEPROM相比，F(xiàn)lash存儲器可在線輕易地被擦寫，由于它的存儲單元也只有一個MOSFET，所以其集成度與

PROM或UV

EPROM相當。FlashROM可快速在線修改其存儲單元中的數(shù)據(jù)，最大改寫次數(shù)可達10萬次以上，讀寫速度很快（存取時間可達70ns），，成本卻比普通E2PROM低得多。與SRAM相比，F(xiàn)lash在保證高集成度的同時，還可以在掉電后保持其中的數(shù)據(jù)不會丟失。與DRAM相比，F(xiàn)lash克服了DRAM需要刷新的問題，而且其高集成度和廉價的特點今天已經(jīng)被廣泛作為數(shù)碼產(chǎn)品的硬盤。28AT89S5x片內(nèi)Flash存儲器的編程程序存儲器為只讀存儲器，因為這種存儲器在電源關(guān)斷后，仍能保存程序（稱此特性為非易失性的），在系統(tǒng)上電后，CPU可取出這些指令重新執(zhí)行。單片機出廠時，F(xiàn)lash存儲器處于全部空白狀態(tài)（各單元均為0FFH），可直接進行編程寫入。AT89S52片內(nèi)的Flash存儲器有3個可編程的加密位，定義了3個加密級別，用戶只要對3個加密位：LB1、LB2、LB3進行編程即可實現(xiàn)3個不同級別的加密。目前對片內(nèi)Flash存儲器的編程可使用通用編程器編程或利用PC機通過下載線進行在線編程（ISP）。29使用通用編程器的程序?qū)懭胪ㄓ镁幊唐饕话阃ㄟ^串行口或USB口與PC機相連，并配有相應(yīng)的驅(qū)動軟件。在編程器與PC機連接后，在PC機上運行驅(qū)動軟件，先選擇要編程的單片機型號，再調(diào)入調(diào)試完畢的程序代碼文件，執(zhí)行單片機片內(nèi)程器就將調(diào)試通過的程序代碼燒寫到中。寫入命令，編的Flash存儲器30使用下載線的ISP編程AT89S5x單片機支持對片內(nèi)Flash存儲器在線編程（ISP），即PC機直接通過下載線向片內(nèi)Flash存儲器寫入程序代碼。編程完畢的片內(nèi)Flash存儲器也可用ISP方式擦除或再編程。ISP下載線按與PC機的連接分為三種類型：串口型、并口型以及USB型。ISP下載線與單片機一端的連接端口通常采用

ATMEL公司的IDC端口標準接口。31系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)AT89S52單片機采用總線結(jié)構(gòu)，使擴展易于擴展實現(xiàn)。系統(tǒng)擴展主要包括存儲器擴展和I/O接口部件擴展。AT89S52存儲器擴展包括程序存儲器擴展和數(shù)據(jù)存儲器擴展。AT89S52進行系統(tǒng)擴展首先要構(gòu)造系統(tǒng)總線。32地址總線（AddressBus，AB）：用于傳送單片機發(fā)出的地址信號，以便進行存儲單元和I/O接口芯片中的寄存器單元的選擇。數(shù)據(jù)總線（Data

Bus，DB）：用于單片機與外部存儲器之間或與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線是雙向的?？刂瓶偩€（Control

Bus，CB）：控制總線是單片機發(fā)出的各種控制信號線。33如何來構(gòu)造系統(tǒng)的三總線P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線需增加一個8位地址鎖存器。CPU訪問外擴存儲單元或I/O接口時，先發(fā)出低8位地址送地址鎖存器鎖存輸出系統(tǒng)低8位地址（A7~A0）。隨后又作為數(shù)據(jù)總線口（D7~

D0）。P2口的口線作為高位地址線加上地址鎖存器提供的低8位地址，便形成了系統(tǒng)完整的16位地址總線（64KB）。34

EA*控制信號線除地址線和數(shù)據(jù)線外，還要有系統(tǒng)的控制總線。包括：PSEN*作為外擴程序存儲器的讀選通控制信號。RD*和WR*為外擴數(shù)據(jù)存儲器和I/O的讀、寫選通控制信號。ALE作為P0口發(fā)出的低8位地址鎖存控制信號。 為片內(nèi)、片外程序存儲器的選擇控制信號。35P0~P3口構(gòu)成單片機的片外三總線結(jié)構(gòu)36地址線：P0低8位地址，P2高8地址數(shù)據(jù)線：P0輸入輸出8位數(shù)據(jù)控制線：P3口的RD*、WR*等加上PSEN*、ALE共同完成控制總線地址空間分配和外部地址鎖存器如何進行存儲器空間的地址分配，以及用于輸出低8位地址的常用的地址鎖存器。存儲器地址空間分配實際系統(tǒng)設(shè)計中，既需要擴展程序存儲器，又需要擴展數(shù)據(jù)存儲器，如何把片外的兩個64KB地址空間分配給各個程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器芯片，使一個存儲單元只對應(yīng)一個地址，即存儲器地址空間分配問題。外擴多片存儲器，單片機必須進行兩種選擇：選中該存儲器芯片（片選），未被選中的芯片不能被訪問。在片選的基礎(chǔ)上再根據(jù)單片機發(fā)出的地址碼來對選中芯片的某一單元進行訪問，即單元選擇。片選和單元選擇都由CPU通過地址線一次發(fā)出的地址信號來完成。通常把單片機系統(tǒng)的地址線籠統(tǒng)地分為低位地址線和高位地址線，片選都是使用高位地址線。用于單元選擇的地址線，都稱為低位地址線。37常用的存儲器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）和地址譯碼法（簡稱譯碼法）。1．線選法是直接利用系統(tǒng)的某一高位地址線作為存儲器芯片（或I/O接口芯片）的“片選”控制信號。為此，只需要把用到的高位地址線與存儲器芯片的“片選”端直接連接即可。38A0～A12CE1、CE2——

接地址總線A0～A12—— CE1接片選信號,CE2接電源OE——

接RDWEIO0～IO7——

接WR——

接D0

～

D7RAM管腳(6264)A0～A15

地址線。6264（A0～A12）；CE1、CE2

芯片使能信號OE

輸出允許WE

寫允許IO0～IO7

數(shù)據(jù)線RAM與單片機的連線39線選法的特點：優(yōu)點：電路簡單，不需要另外增加地址譯碼器硬件電路，體積小，成本低。缺點：可尋址的芯片數(shù)目受到限制。而且地址空間不連

續(xù)，每個存儲單元的地址不唯一，給程序設(shè)計帶來不便。只適用于外擴芯片數(shù)目不多的單片機系統(tǒng)的存儲器擴展。譯碼法使用譯碼器對AT89S52單片機的高位地址進行譯碼，譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。譯碼法的特點：能夠有效地利用存儲器空間?？梢韵刂房臻g不連續(xù)和二義性。適用于多芯片的存儲器擴展。電路較復(fù)雜，成本略高。常用的譯碼器芯片有74LS138（3線-8線譯碼器）、74LS139（雙2線-4線譯碼器）和74LS154（4線-16線譯碼器）。40若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼若僅部分高位地址線參加譯碼，稱為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。常用的譯碼器芯片（1）74LS138當譯碼器的輸入為某一固定編碼時，其輸出僅有一個固定的引腳輸出為低電平作為某一存儲器芯片的片選信號（其余為高電平）。41（2）74LS139雙2線-4線譯碼器。42【例】要擴8片8KB的RAM6264，如何通過74LS138把64KB空間分配給各個芯片？思路：8片6264共64KB，可以采用全地址譯碼：CPU發(fā)出16位地址時，每次只能選中某一芯片及該芯片的一個存儲單元43【例】如何用74LS138把64KB空間全部劃分為4KB的塊，實現(xiàn)8片4K

RAM（如6232）的擴展？思路：4KB空間需12條地址線，而譯碼器輸入只有3條地址線（P2.6～P2.4），P2.7不參加譯碼，只是用來選擇64KB存儲器空間的前32KB還是后32KB，實現(xiàn)部分地址譯碼。44外部地址鎖存器受引腳數(shù)的限制，MCS-51單片機的P0口兼用數(shù)據(jù)線和低8位地址線，為了將它們分離出來，需在單片機外部增加地址鎖存器。（1）帶三態(tài)門8D鎖存器74LS373【注】74LS373為下降沿鎖存，高電平直通45（2）鎖存器74LS573也是帶有三態(tài)門的8D鎖存器，功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與74LS373完全一樣，只是其引腳排列與74LS373不同。46靜態(tài)SRAM的擴展SRAM一般用于數(shù)據(jù)存儲器擴展，對外擴數(shù)據(jù)存儲器訪問時，P2口提供高

8位地址，P0口分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器

RAM的讀和寫由單片機的RD*（P3.7）和WR*（P3.6）信號控制。外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序?qū)ζ釸AM讀和寫兩種操作時序的基本過程相同。1．讀片外RAM操作時序（MOVX

A,

@DPTR）472．寫片外RAM操作時序（

MOVX @DPTR，A

）指令執(zhí)行后，單片機的WR*信號為低有效，此信號使RAM的WE*端被選通。48AT89S52單片機與RAM的接口設(shè)計與軟件編程設(shè)計時，主要解決地址分配、數(shù)據(jù)線和控制信號線的連接問題。在與高速單片機連接時，還要根據(jù)時序解決讀/寫速度匹配問題。【例】用線選法擴展AT89S52外部數(shù)據(jù)存儲器電路。用線選可擴展3片6264，對應(yīng)的存儲器空間：49【例】用譯碼法擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的接口電路。數(shù)據(jù)存儲器62128，芯片地址線為A0～A13，剩余地址線為兩條。若采用2線-4線譯碼器可擴展4片62128。50YY32【例】編寫程序?qū)⑵鈹?shù)據(jù)存儲器中5000H～50FFH單全部清0。方法1：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，使用字節(jié)計數(shù)器：方法2：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，但不使用字節(jié)計數(shù)器，而是比較特征地址。51單片機片外數(shù)據(jù)區(qū)讀/寫數(shù)據(jù)過程當程序運行中，執(zhí)行MOV類指令時，表示與片內(nèi)RAM交換數(shù)據(jù)；當遇到MOVX類指令時，表示對片外數(shù)據(jù)存儲器區(qū)尋址。片外數(shù)據(jù)存儲器區(qū)只能間接尋址。【例】把片外6000H單元的數(shù)據(jù)送到片內(nèi)RAM

50H單元中：向片外數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)的過程與讀數(shù)據(jù)的過程類似?！纠堪哑瑑?nèi)50H單元的數(shù)據(jù)送到片外4000H單元中：52單片機讀寫片外數(shù)據(jù)存儲器中內(nèi)容，除了用MOVXA，@DPTR和MOVX

@DPTR，A外，還可用指令MOVX

A，@Ri和MOVX@Ri，A。這時P0口裝入Ri中內(nèi)容（低8位地址），而把P2口原有的內(nèi)容作為高8位地址輸出。【例】采用MOVX

@Ri，A指令，將程序存儲器中以TAB為首址的32個單元內(nèi)容依次傳送到外部RAM以4000H為首的區(qū)域。思路：將DPTR指向標號TAB首地址。R0既指示外部RAM的地址，又表示數(shù)據(jù)標號TAB的位移量。程序為一循環(huán)程序，循環(huán)次數(shù)為32，R0的值達到

32就結(jié)束循環(huán)。53EPROM作程序存儲器的擴展訪問程序存儲器的控制信號ALE：用于低8位地址鎖存控制；PSEN*：外部程序存儲器“讀選通”控制信號；EA*：片內(nèi)、外程序存儲器訪問的控制信號。MCS-51取指時序54不執(zhí)行MOVX指令時操作時序55執(zhí)行MOVX指令時操作時序【例】用一片27128擴展的16KB單片機程序存儲器。擴展一片程序存儲器時，片選信號CS*可直接接地，也可接A14或A15，既采用線選法。5727128的A0～A13

——

接地址總線A0～A13OE ——

接

PSENO0～O7

——

接

D0～

D7地址鎖存器的

G

——

ALEOC——

直接接地地址線和數(shù)據(jù)線片選地址鎖存器27128的CE

——

接地址總線A14(P2.6)為了使程序存儲器從0000H地址開始，設(shè)A15＝0，則由線選確定的高位地址：A15

A14

＝

0

0低位

A13～

A0

＝

0000H~3FFFH即27128的地址范圍：0

0

0

0

H

~

3FFFH【注】采用線選法時，存儲器的地址不是唯一的，存在地址重疊現(xiàn)象。58【例】如圖為采用74LS139譯碼擴展兩片2764（8K）EPROM和兩片6264（8K）RAM芯片的電路，分析它們的地址范圍。A0

~A7

A8~

A12CE 2764(1)

D0~D7

OEDO

Q0~

~D7

Q7GA0

~A7

A8~

A12CE 2764(2)

D0~D7

OEA0

~A7

A8~

A12CE 6264(1)

D0~D7

WE

OEA0

~A7

A8~

A12CE

6264(2)D0~D7

WE

OEG

Y3B

Y2A

Y1Y0P2.7P2.6P2.5P2.0~P2.4P0.0~P0.7ALE8031PSENWREA

RD2764(2)

:2000H~3FFFH2764(1)

:0000H~1FFFH6264(1)

:4000H~5FFFH6264(2)

:6000H~7FFFH59E2PROM的并行擴展E2PROM與Flash存儲器都支持在線擦除與改寫，且都可斷電保存數(shù)據(jù)，區(qū)別在于Flash的擦除、改寫都是按扇區(qū)進行的，操作過程麻煩，不如E2PROM靈活?！纠繑U展一片8K的E2PROM

2864——充當數(shù)據(jù)存儲器按字節(jié)進行寫數(shù)據(jù)訪問時采用指令：MOVX

@DPTR，AMOVX

@Ri，A按字節(jié)進行讀數(shù)據(jù)訪問時采用指令：MOVX

A，@DPTRMOVX

A，@Ri60【例】E2PROM擴展電路——同時兼有數(shù)據(jù)存儲器和程序存