第8章单片机扩展存储器设计课件

第第8 8章章MCS-51MCS-51单片机单片机扩展存储器设计扩展存储器设计8.1 8.1 概述概述片内的资源如不满足需要，需外扩存储器和片内的资源如不满足需要，需外扩存储器和I/OI/O功能功能部件。部件。系统扩展系统扩展主要内容有：主要内容有：(1)(1)外部存储器的扩展外部存储器的扩展（外部（外部RAMRAM、ROMROM）(2)(2)I/O I/O接口部件的扩展接口部件的扩展。本章介绍如何扩展外部存储器，本章介绍如何扩展外部存储器，I/OI/O接口部件的扩展下一章介绍。接口部件的扩展下一章介绍。返回8051/8751最小应用系统最小应用系统8.18.1.1.1 最小应用系最小应用系统统8031最小应用系统最小应用系统返回MCS-51单片机存储器空间分配单片机存储器空间分配8.18.1.2.2 系统扩展的三总线结构系统扩展的三总线结构MCS-51MCS-51单片机外部存储器结构单片机外部存储器结构:哈佛结构哈佛结构 。MCS-51MCS-51 RAMRAM和和ROMROM的的最大扩展空间各为最大扩展空间各为6464KBKB。系统扩展首先要系统扩展首先要构造系统总线构造系统总线。8.2 8.2 系统总线及总线构造系统总线及总线构造8.2.1 8.2.1 系统总线系统总线按功能把系统总线分为三组：按功能把系统总线分为三组：1.1.地址总线地址总线（AdressAdress Bus,Bus,简写简写ABAB）2.2.数据总线数据总线 (Data BusData Bus，简写简写DB)DB)3.3.控制总线控制总线（Control BusControl Bus，简写简写CBCB）8.2.2 8.2.2 构造系统总线构造系统总线地址锁存器地址锁存器7474LS373LS373 1.1.以以P0P0口作为低口作为低8 8位地址位地址/数据总线。数据总线。2 2以以P2P2口的口线作高位地址线。口的口线作高位地址线。3.3.控制信号线。控制信号线。*ALE ALE 低低8 8位地址锁存信号。位地址锁存信号。*PSENPSEN*扩展程序存储器读选通信号。扩展程序存储器读选通信号。*EAEA*内外程序存储器选择信号。内外程序存储器选择信号。*RDRD*和和WRWR*扩展扩展RAMRAM和和I/OI/O口的读选通、口的读选通、写选通信号。写选通信号。8031 373G27166116P0PSENALEWRRDA0A7A8A15D7D0D7D0CECSOEWEOEP2外部外部RAM写写时序为：时序为：MOVX DPTR,ADPTR:DPH-P2，DPL-P0外部外部RAM读时序序为：MOVX A,DPTRDPTR:DPH-P2，DPL-P0ADC0809转换时序如下图所示，转换时序如下图所示，ADC0809启动后，启动后，约在约在100S后后EOC变为高电平，完成变为高电平，完成A/D转换转换 上图为上图为ADC0809与微处理器的一种典型接口电路。与微处理器的一种典型接口电路。设读写地址由微处理器（设读写地址由微处理器（8031）的）的P2口产生，译码地口产生，译码地址为址为2000H，输入通道选择，输入通道选择IN0，转换结果存放在单片，转换结果存放在单片机内部机内部RAM的的20H地址单元中。地址单元中。A/D的转换结果可采的转换结果可采用查询方式、延时等待方式或中断方式读取。用查询方式、延时等待方式或中断方式读取。MOV DPTR，#02000H ；地址译码；地址译码MOV A，#00H ；选通通道；选通通道0 MOVX DPTR，A；启动；启动IN0转换转换CALL DELAY；延时；延时WAIT：JB P3.3，WAIT；等待；等待EOC变高，变高，判断是否转换完毕判断是否转换完毕MOVX A，DPTR ；读入数据；读入数据MOV 20H，A；结果存；结果存20H查询方式程序为：查询方式程序为：8.3 8.3 读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器8.3.1 8.3.1 存储器扩展的读写控制存储器扩展的读写控制RAMRAM芯片：芯片：读写控制引脚读写控制引脚OEOE*和和WE*WE*，与，与RDRD*和和WRWR*相连。相连。EPROMEPROM芯片：芯片：只有读出引脚，只有读出引脚，OEOE*，与，与PSENPSEN*相连。相连。8.3.2 8.3.2 存储器地址空间分配存储器地址空间分配8031 373G27166116(2)6116(1)8155P0P2.2-P2.0PSENALEWRRDABCG2AG2BG1P1.0A0A7A8A10D7D0D7D0D7D0 CECECSOEA0A7A8A10WEWEOEOEWERDALEAD0AD7CEY2Y1Y0+5VIO/MPAPBPCP2.3P2.4P2.5P2.6P2.7 直接用系直接用系统的高位地址统的高位地址线作线作RAM芯芯片的片选信号。片的片选信号。例例:外扩外扩8KB EPROM（2片片2732）4KB RAM（2片片6116）线选法线选法和地址和地址译码法译码法1.线选法线选法 l 2732:2732:4 4KB ROMKB ROM，1212根地址线根地址线A0A0A11A11，1 1根片选线根片选线l 6116:6116:2 2KBKB RAMRAM，1111根地址线根地址线A0A0A10A10，1 1根片选线根片选线l 片选端片选端低电平有效低电平有效 地址范围：地址范围：27322732（1 1）的地址范围：）的地址范围：70007000H H7FFFH;7FFFH;27322732（2 2）的地址范围）的地址范围:B000HB000HBFFFH;BFFFH;61166116（1 1）的地址范围：）的地址范围：E800HE800HEFFFH;EFFFH;61166116（2 2）的地址范围：）的地址范围：D800HD800HDFFFHDFFFH。线选法特点线选法特点 优点：优点：电路简单，电路简单，不需另外增加硬件电路不需另外增加硬件电路，体积小，体积小，成本低。成本低。缺点：缺点：可寻址的器件数目受限，地址空间不连续。可寻址的器件数目受限，地址空间不连续。只适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统只适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统2.2.译码法译码法 常用译码器芯片：常用译码器芯片：7474LS138LS138（3-83-8译码器）译码器）7474LS139LS139（双双2-42-4译码器）译码器）7474LS154LS154（4-164-16译码器）译码器）全译码：全译码：全部高位地址线都参加译码；全部高位地址线都参加译码；部分译码：部分译码：仅部分高位地址线参加译码。仅部分高位地址线参加译码。(1)74 (1)74LS138LS138（3 38 8译码器）译码器）当当译译码码器器的的输输入入为为某某一一个个固固定定编编码码时时，其其输输出出只只有有某某一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。7474LS138LS138译码器真值表译码器真值表 输输 入入 输输 出出 G1 G2AG1 G2A*G2B G2B*C B A Y7 C B A Y7*Y6Y6*Y5Y5*Y4Y4*Y3Y3*Y2Y2*Y1Y1*Y0Y0*(2)74(2)74LS139LS139（双双2-42-4译码器）译码器）真值表如表真值表如表8-28-2（P168P168）所示。所示。采用全地址译码方式，单片机发地址码时，每次只能选采用全地址译码方式，单片机发地址码时，每次只能选中一个存储单元。同类存储器间不会产生地址重叠的问题。中一个存储单元。同类存储器间不会产生地址重叠的问题。例例:要扩要扩8片片8KB的的RAM 6264，如何通过如何通过74LS138把把64KB空空间分配给各个芯片？间分配给各个芯片？如果用如果用74LS138把把64K空间全部划分为每块空间全部划分为每块4KB，如何划分如何划分？8.3.3 8.3.3 外部地址锁存器外部地址锁存器8031 373G27166116(2)6116(1)8155P0P2.2-P2.0PSENALEWRRDABCG2AG2BG1P1.0A0A7A8A10D7D0D7D0D7D0 CECECSOEA0A7A8A10WEWEOEOEWERDALEAD0AD7CEY2Y1Y0+5VIO/MPAPBPCP2.3P2.4P2.5P2.6P2.7D7D7D0:D0:8 8位数据输入线位数据输入线 Q7Q7Q0:Q0:8 8位数据输出线。位数据输出线。G:G:数据输入锁存选通信号数据输入锁存选通信号 OEOE*:数据输出允许信号数据输出允许信号8.3.3 8.3.3 外部地址锁存器外部地址锁存器常用常用地址锁存器芯片地址锁存器芯片:74:74LS373LS373、82828282、74LS57374LS5731.1.锁存器锁存器7474LS373LS373（带有三态门的带有三态门的8 8D D锁存器锁存器）2.2.锁存器锁存器82828282功能及内部结构与功能及内部结构与7474LS373LS373完全一样，只是其引脚的完全一样，只是其引脚的排列与排列与7474LS373LS373不同不同3 3锁存器锁存器7474LSLS573573 输入的输入的D D端和输出的端和输出的Q Q端也是依次排在芯片的两侧，与端也是依次排在芯片的两侧，与82828282一样，一样，为绘制印刷电路板时的布线提供方便。为绘制印刷电路板时的布线提供方便。8.4 8.4 程序存储器程序存储器EPROMEPROM的扩展的扩展 采用只读存储器，采用只读存储器，非易失性。非易失性。（1 1）掩膜）掩膜ROMROM 在制造过程中编程在制造过程中编程,只适合于大批量生产。只适合于大批量生产。（2 2）可编程）可编程ROMROM（PROMPROM）用独立的编程器写入，只能写入一次。用独立的编程器写入，只能写入一次。（3 3）EPROMEPROM 电信号编程，紫外线擦除的只读存储器芯片。电信号编程，紫外线擦除的只读存储器芯片。（4 4）E E2 2PROMPROM（EEPROM EEPROM）电信号编程，电擦除。读写操作与电信号编程，电擦除。读写操作与RAMRAM相似，写入相似，写入速度稍慢。断电后能够保存信息。速度稍慢。断电后能够保存信息。（5 5）Flash ROMFlash ROM 又称闪烁存储器，简称闪存。电改写，电擦除，读又称闪烁存储器，简称闪存。电改写，电擦除，读写速度快（写速度快（70ns70ns），读写次数多（），读写次数多（1 1万次）。万次）。8.4.1 8.4.1 常用常用EPROMEPROM芯片介绍芯片介绍典型芯片是典型芯片是2727系列产品，例如，系列产品，例如，2764 2764（8 8KB8KB8）2712827128（16KB816KB8）2725627256（32KB832KB8）2751227512（64KB864KB8）“27”“27”后面的数字表示其位存储容量。后面的数字表示其位存储容量。扩展程序存储器时，应尽量用大容量的芯片。扩展程序存储器时，应尽量用大容量的芯片。1.1.常用的常用的EPROMEPROM芯片芯片 电气参数见表电气参数见表8-48-4（P123P123）。）。引脚如下图。引脚如下图。引脚功能如下：引脚功能如下：A0A0A15A15：地址线引脚。数目决定存储容量。地址线引脚。数目决定存储容量。D7D7D0D0：数据线引脚数据线引脚CECE*：片选输入端片选输入端OEOE*：输出允许控制端输出允许控制端PGMPGM*：编程时，加编程脉冲的输入端编程时，加编程脉冲的输入端VppVpp：编程时，编程电压（编程时，编程电压（+12+12V V或或+25+25V V）输入端输入端VccVcc：+5V+5V，芯片的芯片的工作工作电压。电压。GNDGND：数字地。数字地。NCNC：无用端无用端 2.2.EPROMEPROM芯片的工作方式芯片的工作方式（1 1）读出方式）读出方式 片选控制线为低片选控制线为低,输出允许为低，输出允许为低，VppVpp为为+5+5V V，指定指定地址单元的内容从地址单元的内容从D7D7D0D0上读出。上读出。（2 2）未选中方式）未选中方式 片选控制线为高电平。片选控制线为高电平。（3 3）编程方式）编程方式 VppVpp端加规定高压端加规定高压,CECE*和和OEOE*端加合适电平，就端加合适电平，就能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。（4 4）编程校验方式）编程校验方式 （5 5）编程禁止方式）编程禁止方式 输出呈高阻状态，不写入程序。输出呈高阻状态，不写入程序。8.4.2 8.4.2 程序存储器的操作时序（自学）程序存储器的操作时序（自学）8.4.3 8.4.3 典型的典型的EPROMEPROM接口电路接口电路1.1.使用单片使用单片EPROMEPROM的扩展电路的扩展电路 2716 2716、2732 2732 EPROMEPROM价格贵，容量小，且难以买到。价格贵，容量小，且难以买到。仅介绍仅介绍27642764、2712827128、2725627256、2751227512芯片的接口电路。芯片的接口电路。下图为下图为外扩外扩1616K K字节的字节的EPROM 27128EPROM 27128的接口电路图的接口电路图 。MCS-51MCS-51外扩单片外扩单片32K32K字节的字节的EPROM 27256EPROM 27256的接口。的接口。3.3.使用多片使用多片EPROMEPROM的扩展电路的扩展电路扩展扩展4 4片片2712827128。8.5 8.5 静态数据存储器的扩展静态数据存储器的扩展8.5.1 8.5.1 常用的静态常用的静态RAMRAM（SRAMSRAM）芯片芯片典型型号有典型型号有:61166116、62646264、6212862128、6225662256。+5+5V V电源供电，双列直电源供电，双列直插，插，61166116为为2424引脚封装，引脚封装，62646264、6212862128、6225662256为为2828引脚封装。引脚封装。各引脚功能如下各引脚功能如下:A0 A0A14A14：地址输入线。地址输入线。D0 D0D7D7：双向三态数据线。双向三态数据线。CE CE*：片选信号输入。对于片选信号输入。对于62646264芯片，当芯片，当CSCS为高电平为高电平,且且CECE*为低电平时才选中该片。为低电平时才选中该片。O OE E*：读选通信号输入线。读选通信号输入线。WE WE*：写允许信号输入线，低电平有效。写允许信号输入线，低电平有效。VccVcc：工作电源工作电源+5+5V V GND GND：地地有读出、写入、维持三种工作方式，操作控制如表有读出、写入、维持三种工作方式，操作控制如表8-6(8-6(P181)P181)。8.5.2 8.5.2 外扩数据存储器的读写操作时序外扩数据存储器的读写操作时序8.5.3 8.5.3 典型的外扩数据存储器的接口电路典型的外扩数据存储器的接口电路 图图8-21 8-21 用线选法扩展用线选法扩展80318031外部数据存储器的电路外部数据存储器的电路。地址线为地址线为A0A0A12A12，故剩余地址线为三根。用线选故剩余地址线为三根。用线选法可扩展法可扩展3 3片片62646264。3 3片片62646264对应的地址空间如下。对应的地址空间如下。译码选通法译码选通法 各片各片6212862128地址分配见表地址分配见表8-98-9。表表8-9 8-9 各片各片6212862128地址分配地址分配 P2.7 P2.6 P2.7 P2.6 译码输出译码输出 选中芯片选中芯片 地址范围地址范围 存储容量存储容量 0 0 0 0 YO*IC1 0000H-3FFFH 16KYO*IC1 0000H-3FFFH 16K 0 1 Y1*IC2 4000H-7FFFH 16K 0 1 Y1*IC2 4000H-7FFFH 16K 1 0 Y2*IC3 8000H-BFFFH 16K 1 0 Y2*IC3 8000H-BFFFH 16K 1 1 Y3*IC4 C000H-FFFFH 16K 1 1 Y3*IC4 C000H-FFFFH 16K 单片单片6225662256与与80318031的接口电路的接口电路如图如图8-238-23所示。地所示。地址范围为址范围为00000000H H7FFFH7FFFH。例例8-18-1 编编写写程程序序将将片片外外RAMRAM中中50005000H H50FFH50FFH单单元元全全部部清清零零。方法方法1 1：用用DPTRDPTR作为数据区地址指针，同时使用字节计数器。作为数据区地址指针，同时使用字节计数器。MOV DPTRMOV DPTR，#5000H#5000H；设置数据块指针的初值设置数据块指针的初值 MOV R7 MOV R7，#00H#00H ；设置块长度计数器初值设置块长度计数器初值 CLR A CLR ALOOPLOOP：MOVX DPTR MOVX DPTR，A A ；把某一单元；把某一单元清零清零 INC DPTR INC DPTR ；地址指针加地址指针加1 1 DJNZ R7DJNZ R7，LOOP LOOP ；数据块长度减数据块长度减1 1，若不为，若不为 0 0则继续清零则继续清零HEREHERE：SJMP HERE SJMP HERE ；执行完毕，原地踏步执行完毕，原地踏步 方法方法2 2：用用DPTRDPTR作为数据区地址指针，但不使用字节计作为数据区地址指针，但不使用字节计数器，而是比较特征地址。数器，而是比较特征地址。MOV DPTRMOV DPTR，#5000H#5000HCLR ACLR ALOOPLOOP：MOVX DPTRMOVX DPTR，A AINC DPTRINC DPTRMOV R7MOV R7，DPLDPLCJNE R7CJNE R7，#0#0，LOOP LOOP；与末地址与末地址+1+1比较比较HEREHERE：SJMP HERESJMP HERE8.6 8.6 EPROMEPROM和和RAMRAM的综合扩展的综合扩展8.6.1 8.6.1 综合扩展的硬件接口电路综合扩展的硬件接口电路例例8-2 采用线选法扩展采用线选法扩展2片片8KB的的RAM和和2片片8KB的的EPROM,RAM选选6264，EPROM选选2764。IC2IC2和和IC4IC4占用地址空间为占用地址空间为20002000H H3FFFH3FFFH共共8 8KBKB。同理同理IC1IC1、IC3IC3地址范围地址范围40004000H H5FFFH5FFFH（P2.6=1P2.6=1、P2.5=0P2.5=0、P2.7=0P2.7=0）。）。线选法地址不连续，地址空间利用不充分。线选法地址不连续，地址空间利用不充分。例例8-38-3 采用采用译码器法译码器法扩展扩展2 2片片8 8KB EPROMKB EPROM，2 2片片8 8KB KB RAMRAM。EPROMEPROM选用选用27642764，RAMRAM选用选用62646264。共扩展。共扩展4 4片芯片。片芯片。可见译码法进行地址分配，各芯片地址空间是连续的。可见译码法进行地址分配，各芯片地址空间是连续的。8.6.2 8.6.2 外扩存储器电路的工作原理及软件设计外扩存储器电路的工作原理及软件设计 1.1.单片机片外程序区读指令过程单片机片外程序区读指令过程 2.2.单片机片外数据区读写数据过程单片机片外数据区读写数据过程 例如，例如，把片外把片外10001000H H单元的数送到片内单元的数送到片内RAM 50HRAM 50H单元，单元，程序如下：程序如下：MOV DPTRMOV DPTR，#1000H#1000HMOVX AMOVX A，DPTRDPTRMOV 50HMOV 50H，A A 例如，例如，把片内把片内5050H H单元的数据送到片外单元的数据送到片外10001000H H单元中，单元中，程序如下：程序如下：MOV A,50HMOV A,50HMOV DPTR,#1000HMOV DPTR,#1000HMOVX DPTR,AMOVX DPTR,AMCS-51MCS-51单片机读写片外数据存储器中的内容，单片机读写片外数据存储器中的内容，除用除用MOVX A,DPTRMOVX A,DPTR和和MOVX DPTR,AMOVX DPTR,A外，还可使外，还可使用用MOVX MOVX A,RiA,Ri和和MOVX MOVX Ri,ARi,A。这时通过这时通过P0P0口输口输出出RiRi中的内容（低中的内容（低8 8位地址），位地址），而而把把P2P2口原有的口原有的内容作为高内容作为高8 8位地址输出。位地址输出。例例8-48-4 将程序存储器中以将程序存储器中以TABTAB为首址的为首址的3232个单元的个单元的内容依次传送到外部内容依次传送到外部RAMRAM以以70007000H H为首地址的区域去。为首地址的区域去。DPTRDPTR指指向向标标号号TABTAB的的首首地地址址。R0R0既既指指示示外外部部RAMRAM的的地地址址，又又表表示示数数据据标标号号TABTAB的的位位移移量量。本本程程序序的的循循环环次次数数为为3232，R0R0的值：的值：0 03131，R0R0值达到值达到3232就结束循环。就结束循环。MOVMOVP2,#70HP2,#70HMOVMOVDPTR,#TABDPTR,#TABMOVMOVR0,#0R0,#0AGIN:AGIN:MOVMOVA,R0A,R0MOVCMOVCA,A+DPTRA,A+DPTRMOVXMOVXR0,AR0,AINCINCR0R0CJNECJNER0,#32,AGINR0,#32,AGINHERE:HERE:SJMPSJMPHEREHERETAB:TAB:DB DB 8.7 E8.7 E2 2PROMPROM的扩展的扩展 保留信息长达保留信息长达2020年，不存在日光下信息缓慢丢失的问题。年，不存在日光下信息缓慢丢失的问题。8.7.1 8.7.1 常用的常用的E E2 2PROMPROM芯片芯片 在芯片的引脚设计上，在芯片的引脚设计上，2 2KBKB的的E E2 2PROM 2816PROM 2816与与EPROM 2716EPROM 2716和和RAM 6116RAM 6116兼容兼容 8 8KBKB的的E E2 2PROM 2864APROM 2864A与与EPROM 2764EPROM 2764和和RAM 6264RAM 6264兼容兼容28162816、28172817和和28642864A A的的读出时间读出时间均为均为250250nsns，写入时写入时间间1010msms。E E2 2PROMPROM的主要性能见表的主要性能见表8-108-10（P191P191）。）。8.7.3 MCS-518.7.3 MCS-51扩展扩展E E2 2PROMPROM的方法的方法 1.1.MCS-51MCS-51外扩外扩28172817A A 2817A2817A既可作为外部的数据存储器，又可作为程序既可作为外部的数据存储器，又可作为程序存储器。通过存储器。通过P1.0P1.0查询查询28172817A A的的RDY/BUSYRDY/BUSY*状态，来完状态，来完成对成对28172817A A的写操作。片选信号由的写操作。片选信号由P2.7P2.7提供。提供。2.MCS-51 2.MCS-51外扩外扩28642864A A 片选端与片选端与P2.7P2.7连接，连接，P2.7=0P2.7=0才选中才选中28642864A A，线线选法决定了选法决定了28642864A A对应多组地址空间，即对应多组地址空间，即:00000000H H1FFFH1FFFH2000H2000H3FFFH3FFFH4000H4000H5FFFH5FFFH6000H6000H7FFFH7FFFH2864A2864A可作为可作为RAMRAM使用，但掉电后数据不丢失。使用，但掉电后数据不丢失。