1、第5章 单片机存储器扩展一、教学要求：掌握：单片机系统扩展技术及应用系统设计方法。学会程序存储器和数据存储器的扩展方法。注意片内 RAM 和系统地址空间的使用分配以及一些常用扩展芯片的接口方法和访问控制方法。二、教学内容：5.1 单片机系统扩展及结构5.2 单片机存储器扩展与编址技术5.3 单片机程序存储器扩展5.4 单片机数据存储器扩展5.5 存储器综合扩展5.6 单片机存储器系统的特点和使用三、教学重点：单片机系统扩展技术及应用系统设计方法，程序存储器和数据存储器的扩展方法。四、教学难点：片内 RAM 和系统地址空间的使用分配以及一些常用扩展芯片的接口方法和访问控制方法。五、建议学时：4
2、学时。六、教学内容：5-1 系统扩展及结构单片机芯片内具有 CPU、ROM 、RAM、定时器/ 计数器及 I / O 口。但在实际应用中、大多数情况下仅靠片内资源是不够的。资源性扩展： 包括存储器扩展和 IO 扩展。如何扩展?扩展功能如何实现?扩展部件如何连接?整个扩展系统以单片机为核心，通过总线把各扩展部件连接起来，各扩展部件“挂”在总线上。所谓总线，就是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线。包括：地址总线（AB） ；数据总线（DB） ；控制总线（CB） 。存储器的连接存储器与微型机三总线的连接：1、数据线 D0n 连接数据总线 DB0n2、地址线 A0n 连接地址总线低位 AB0n。3、片
3、选线 CS 连接地址总线高位 ABn +1。4、读写线 OE、WE(R/ W)连接读写控制线 RD、WR 。存储器与单片机的连接存储器与微型机三总线的一般连接方法和存储器读写时序：1.数据总线与地址总线为两组独立总线。存储器与单片机的连接DB0nAB0N A0NABN+1 CSR/ W R/ W存储器微型机D0nDB0nAB0n A0nABn+1 CSR/ W R/ W存储器微型机D0nR/W数据采样DB0 n地址输出数据有效AB0n2.微型机复用总线结构：数据与地址分时共用一组总线。5-1-1 单片机扩展的实现 单片机扩展的首要问题就是构造系统总线，然后再往系统总线上“挂” 存储芯片或 I/
4、O 接口芯片。 “构造”总线芯片本身并没有提供地址线和数据线。具体的构造方法说明如下： 以 P0 口的 8 位口线作地址数据线。 复用技术地址和数据进行分离。为此在构造地址总线时要添加一个 8 位锁存器。先把这低 8 位地址送锁存器暂存，然后就由地址锁存器给系统提供低 8 位地址，而把 P0 口线作为数据线使用。 以 P2 口的口线作高位地址线。 由 P2 口提供高 8 位，再加上 P0 口提供的低 8 位64KB。但实际应用系统中，地址高位并不固定为 8 位，而根据需要从 P2 口中引单片机AD0n ALER/WD0nA0nR/W存储器Di QiG地址锁存器ALE 地址锁存 地址锁存地址输出
5、数据有效地址输出数据有效AD0n 数据采样 数据采样R/W出。8 位地址锁存器：74LS373、8282 等。控制信号：构成扩展系统的控制总线。1. ALE 作地址锁存的选通信号，以实现低 8 位地址的锁存。2. PSEN 作扩展程序存储器的读选通信号。3. EA 作内外程序存储器的选通信号。80C51图5.274LS373、 8282功 能 锁 存 输 出 允 许 输 出 G(STB) OE Qi 1 0 Di 0 不 变 1 Z 4. RD 和 WR 作扩展数据存储器和 I/O 端口的读写选通信号。MCS-51 用于扩展存储器的外部总线信号：P0.00.7：8 位数据和低 8 位地址信号，
6、复用总线 AD07。P2.02.7：高 8 位地址信号 AB815。ALE：地址锁存允许控制信号。：片外程序存储器读选通信号。PSEN：内外程序存储器选择。A：片外数据存储器读控制信号。RD：片外数据存储器写控制信号。W5-1-2 总线扩展驱动当单片机外接芯片较多，超出总线负载能力，必须加总线驱动器。 单向驱动器 74LS244 用于地址总线驱动； 双向驱动器 74LS255 用于数据总线驱动。5-2 存储器扩展及编址技术存储器结构框图存储器内部为双向地址译码，以节省内部引线和驱动器。如：1K 容量存储器，有 10 根地址线。单向译码需要 1024 根译码输出线和驱动器。双向译码 X、Y 方向
7、各为 32 根译码输出线和驱动器，总共需要 64 根译码线和 64 个驱动器。存储器外部信号引线：D07 数据线：传送存储单元内容。根数与单元数据位数相同。A09 地址线：选择芯片内部一个存储单元。根数由存储器容量决定。CS 片选线：选择存储器芯片。当 CS 信号无效，其它信号线不起作用。R / W(OE/WE)读写允许线：打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时刻。5-2-1 存储器芯片的扩展 用多片存储器芯片组成微型计算机系统所要求的存储器系统。 要求扩充后的存储器系统引出线符合微型计算机的总线结构要求。一、扩充存储器位数：例 1：用 2K1 位存储芯片组成 2K8 位存储系统。图5.6
8、存储器逻辑结构图当地址、片选和读写信号有效，可并行存取 8 位信息。例 2：用 2K8 位存储器芯片组成 2K16 位存储器系统。地址、片选和读写引线并联后引出，数据线并列引出。二、扩充存储器容量： 地址线、数据线和读写控制线均并联。 为保证并联数据线上没有信号冲突，必须用片选信号区别不同芯片的地址空间。片选方法：1线选法：微型机剩余高位地址总线直接连接各存储器片选线。2译码片选法：CED0 7D0 7R/WR/WCECEA0 10A0 10D07D815R/WA010微型机剩余高位地址总线通过地址译码器输出片选信号。多片存储器芯片组成大容量存储器连接常用片选方法。例 1：用 1K4 位存储器
9、芯片组成 4K8 位存储器系统。例 2：三片 8KB 的存储器芯片组成 24KB 容量的存储器。设 CE1、CE2、CE3 分别连接微型机的高位地址总线AB13、 AB14、AB15 。确定各存储器芯片的地址空间：ABi： 15141312 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 015141312 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 0：1100 0000 0000 00001101 1111 1111 1111=C000HDFFFH：1010 0000 0000 00001011 1111 1111 1111=A000HBFFFH ：0110 0000 0000 0000011
10、1 1111 1111 1111=6000H7FFFH 5-2-2 存储器扩展的编址技术 所谓存储器编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当的连接，最终达到一个编址唯一地对应存储器中一个存储单元的目的。 存储器编址分两个层次： （见 P119） 存储芯片的选择； 芯片内部存储单元的选择。 存储器映像则研究各部分存储器在整个存储空间中所占据的地址范围，以便为存储器的使用提供依据。线选法： 直接以系统的地址位作为存储芯片的片选信号； 优缺点：简单明了，且不需增加电路。但存储空间的使用是断续的，不能有效地利用空间，扩充容量受限，只适用于小规模系统的存储器扩展。译码法： 对系统的高位地址进行译码，以其
11、译码输出作为片选信号。 有效地利用存储空间，适用于大容量多芯片扩展。 常用的译码芯片有：74LS139(双 2-4 译码器)、74LS138(3-8 译码器)和D0 7R/WCEA0 12D07R/WCE1A0 12CE2D0 7R/WCEA0 12 D0 7R/WCEA0 12CE374LS1544-16 译码器)等。 G1 /G2A /G2B（使能端）：当 G1=“1”，G2A=G2B=“0” 时，3/8 译码器进入译码状态，这时 Y0Y7 只有一位是低电平，其余全为高电平。译码无效时， Y0Y7 全为高电平，无效。 C 、B 、 A：译码器输入（C 为高位） 。 Y0Y7 ：译码器输出，
12、低电平有效。3-8 地址译码器：74LS138图5.5 74LS138表5-1图5.53-8 地址译码器：74LS138Y0、Y1、Y2 分别连接三片存储器的片选端 CE1、CE2 、CE3各片存储器芯片分配地址：0000H1FFFH ；：2000H3FFFH ；：4000H5FFFH 。5-3 程序存储器扩展工作时，ROM 中的信息只能读出，要用特殊方式写入(固化信息)，失电后可保持信息不丢失。1.掩膜 ROM：不可改写 ROM由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道工序用掩膜工艺写入信息，用户只可读。2.PROM：可编程 ROM用户可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加入写脉冲，某些存储
13、单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。3.EPROM：可擦除 PROM用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的 PN 结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。4.EEPROM：可电擦除 PROM既可全片擦除也可字节擦除，可在线擦除信息，又能失电保存信息，具备RAM、ROM 的优点。但写入时间较长。扩展程序存储器电路常用 EPROM 芯片：AB13AB14AB15+5VA Y0B Y1C Y2G1 G2A Y7G2B 74LS138CE1CE2CE3Intel 2716 (2K8 位)2732 (4KB)2764 (8KB)
14、27128(16KB)27256(32KB)27512(64KB) CE/PGM片选低电平有效。当编程时引入编程脉冲。 OE（输出允许）有效时输出缓冲器打开，被寻址单元才能被读出。 VPP编程时加十 25V 编程电压电源。表 5-3 2716 工作方式8031/8032 扩展 2KB EPROM Intel 2716（总线形式） 最低地址：8000H； 最高地址：87FFH。 地址范围：8000H87FFH。EEPROM 2816、2817图5.8 单片机外接 EEPROM 电路的存储器电路EEPROM 既能作为程序存储器又能作数据存储器。将程序存储器与数据存储器的空间合二为一。片外存储器读信
15、号= PSEN RD5-4 数据存储器扩展扩展数据存储器电路常用 RAM 芯片：Intel 6116(2KB)、6264(8KB)、62256(32KB)等。2816引脚和功能图图 5.10 静态 RAM2114 引脚图8031（8051）扩展 2KB RAM Intel 6116。图5.10 6116和6264管脚和逻辑符号工 作 方 式读写禁 止 001 01 ZOECS WE01 DiDOUTDIN5-5 存储器综合扩展数据存储器和程序存储器的综合扩展。1、同时扩展数据存储器和程序存储器：程序存储器的读操作有 PSEN 信号控制，数据存储器的读和写分别由 RD和 WR 信号控制。不会造成
16、操作上的混乱。2、通过扩展可读写存储器：（1）利用 EEPROM 芯片扩展；（速度较慢）如：可扩展 2816 或 2817 等。（2）改造 RAM 存储芯片。 （见 P131）如：可改造 6116 等。5-5-1 同时扩展程序存储器和数据存储器单片机连接 8KB EPROM 2764 和 8KB RAM 6264 各一片。图5.11 扩展单片6116数据存储器5-5-2 扩展既可读又可写的程序存储器EEPROM 既能作为程序存储器又能作数据存储器。将程序存储器与数据存储器的空间合二为一。片外存储器读信号= PSEN RD5-6 存储器系统的特点和使用哈佛(Har-yard) 结构，即将程序和数
17、据存储器截然分开，各有自已的寻址方式，寻址空间和控制信号。 80C51 单片微机的存储器映像图。一、特点：复杂性：1、程序存储器与数据存储器同时存在；2、内外存储器同时存在；图 5.14 同时扩展两种存储器3、存储器地址空间的重叠和连续。二、使用：存储器地址空间的区分和衔接： 在物理上设有 4 个物理存储空间：程序存储器：片内程序存储器；片外程序存储器；数据存储器：片内数据存储器；片外数据存储器。 在逻辑上设有 3 个逻辑存储空间：1、内外程序存储器统一编址，形成一个完整的空间；2、内外数据存储器分开编址，都是从“0” 单元开始。1、存储空间的区分：（1）内部程序存储器与数据存储器的区分；（2
18、）外部程序存储器与数据存储器的区分；（3）内外数据存储器的区分。 MOV指 令 MOVX指 令RD、 WR选 通MOVC指 令PSEN选 通A=0MOVC指 令EA=1数 据存 储 器程 序存 储 器 内 部 外 部2、内外程序存储器的衔接。内外 ROM 衔接形式小结： 构造系统总线，然后再往系统总线上“挂” 存储芯片或 I/O 接口芯片。 超出总线负载能力，必须加总线驱动器。 复用技术地址和数据进行分离，需用地址锁存器。 程序存储器可以分为片内和片外两部分，处理器访问片内和片外程序存储器，可由 EA 引脚所接的电平来确定。 存储器可分为 4 个物理存储空间和 3 个逻辑存储空间。 存储器扩展：程序存储器扩展；数据存储器扩展；综合扩展。 存储器系统的特点（哈佛结构）和编址技术：编址线选法、译码法。 存储器的区分与衔接。
