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第8章MCS-51单片机扩展存储器的设计8.1概述片内的资源如不满足需要，需外扩存储器和I/O功能部件：系统扩展问题，内容主要有：(1)外部存储器的扩展（外部存储器又分为外部程序存储器和外部数据存储器）(2)I/O接口部件的扩展。本章介绍MCS–51单片机如何扩展外部存储器，I/O接口部件的扩展下一章介绍。系统扩展结构如下图:MCS-51单片机外部存储器结构:哈佛结构。MCS-96单片机的存储器结构:普林斯顿结构。MCS-51数据存储器和程序存储器的最大扩展空间各为64KB。系统扩展首先要构造系统总线。8.2系统总线及总线构造8.2.1系统总线按其功能通常把系统总线分为三组：1.地址总线（AdressBus,简写AB）2.数据总线(DataBus，简写DB)3.控制总线（ControlBus，简写CB）8.2.2构造系统总线系统扩展的首要问题:构造系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储器芯片或I/O接口芯片，“挂”存储器芯片就是存储器扩展，“挂”I/O接口芯片就是I/O扩展。MCS-51由于受引脚数目的限制，数据线和低8位地址线复用。为了将它们分离出来，需要外加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线，见图8-2。地址锁存器一般采用74LS373，采用74LS373的地址总线的扩展电路如下图(图8-3)。1.以P0口作为低8位地址/数据总线。2．以P2口的口线作高位地址线。3.控制信号线。*使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。*以PSEN*信号作为扩展程序存储器的读选通信号。*以EA*信号作为内外程序存储器的选择控制信号。*由RD*和WR*信号作为扩展数据存储器和I/O口的读选通、写选通信号。尽管MCS-51有4个并行I/O口，共32条口线，但由于系统扩展需要，真正作为数据I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口线。8.2.3单片机系统的串行扩展技术优点：串行接口器件体积小，与单片机接口时需要的I/O口线很少（仅需3-4根），提高可靠性。串行扩展可以减少芯片的封装引脚，降低成本，简化了系统结构，增加了系统扩展的灵活性。为实现串行扩展，一些公司（例如PHILIPS和ATMEL公司等）已经推出了非总线型单片机芯片，并且具有SPI（SerialPeriperalInterface）三线总线和I2C公用双总线的两种串行总线形式。与此相配套，也推出了相应的串行外围接口芯片。缺点:串行接口器件速度较慢在大多数应用的场合，还是并行扩展占主导地位。8.3读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器8.3.1存储器扩展的读写控制RAM芯片：读写控制引脚，记为OE*和WE*，与MCS-51的RD*和WR*相连。EPROM芯片：只能读出，故只有读出引脚，记为OE*，该引脚与MCS-51的PSEN*相连。8.3.2存储器地址空间分配MCS-51发出的地址是用来选择某个存储器单元进行读写，要完成这种功能，必须进行两种选择：“片选”和“单元选择”。存储器空间分配除考虑地址线连接外，还讨论各存储器芯片在整个存储空间中所占据的地址范围，常用的存储器地址分配的方法有两种：线性选择法（简称线选法）和地址译码法（简称译码法）。1.线选法直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的片选信号。优点：电路简单，不需要地址译码器硬件，体积小，成本低。缺点：可寻址的器件数目受到限制，地址空间不连续，地址不唯一。例某一系统，需要外扩8KB的EPROM（2片2732），4KB的RAM（2片6116），这些芯片与MCS-51单片机地址分配有关的地址线连线，电路如下图。2732:4KB程序存储器，有12根地址线A0～A11，分别与单片机的P0口及P2.0～P2.3口相连。2732（1）的片选端接A15（P2.7），2732（2）的片选端接A14（P2.6）。当要选中某个芯片时，单片机P2口对应的片选信号引脚应为低电平，其它引脚一定要为高电平。6116:2KB数据存储器，需要11根地址线作为单元的选择，而剩下的P2口线（P2.4～P2.7）作为片选线。两片程序存储器的地址范围：2732（1）的地址范围：7000H～7FFFH;2732（2）的地址范围:B000H～BFFFH;6116（1）的地址范围：E800H～EFFFH;6116（2）的地址范围：D800H～DFFFH。线选法特点：简单明了，不需另外增加硬件电路。只适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统。2.译码法最常用的译码器芯片：74LS138（3-8译码器）74LS139（双2-4译码器）74LS154（4-16译码器）。可根据设计任务的要求，产生片选信号。全译码：全部高位地址线都参加译码；部分译码：仅部分高位地址线参加译码。(1)74LS138（3～8译码器）引脚如图8-5，译码功能如表8-1（P167）所示。当译码器的输入为某一个固定编码时，其输出只有某一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。74LS138译码器真值表输入输出G1G2A*G2B*CBAY7*Y6*Y5*Y4*Y3*Y2*Y1*Y0*(2)74LS139（双2-4译码器）引脚如下图。真值表如表8-2（P168）所示。下面以74LS138为例,介绍如何进行地址分配。例要扩8片8KB的RAM6264，如何通过74LS138把64KB空间分配给各个芯片？采用的是全地址译码方式，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。如果用74LS138把64K空间全部划分为每块4KB，如何划分呢？见下图。8.3.3外部地址锁存器常用的地址锁存器芯片有:74LS373、8282、74LS573等。1.锁存器74LS373带有三态门的8D锁存器,其引脚其内部结构如下图。引脚说明如下:D7～D0:8位数据输入线。Q7～Q0:8位数据输出线。G:数据输入锁存选通信号,OE*:数据输出允许信号2.锁存器8282功能及内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚的排列与74LS373不同，8282的引脚如下图。引脚的排列为绘制印刷电路板时的布线提供了方便。3．锁存器74LS573输入的D端和输出的Q端也是依次排在芯片的两侧，与锁存器8282一样，为绘制印刷电路板时的布线提供了方便。8.4程序存储器EPROM的扩展采用只读存储器，非易失性。（1）掩膜ROM在制造过程中编程。成本较高，因此只适合于大批量生产。（2）可编程ROM（PROM）用独立的编程器写入。但PROM只能写入一次，且不能再修改。（3）EPROM电信号编程，紫外线擦除的只读存储器芯片。（4）E2PROM（EEPROM）电信号编程，电信号擦除的ROM芯片。读写操作与RAM几乎没有什么差别，只是写入的速度慢一些。但断电后能够保存信息。（5）FlashROM又称闪烁存储器，简称闪存。大有取代E2PROM的趋势。8.4.1常用EPROM芯片介绍典型芯片是27系列产品，例如，2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）。“27”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。1.常用的EPROM芯片参数见表8-4（P123）。引脚如下图。引脚功能如下：A0～A15：地址线引脚。数目决定存储容量来定，用来进行单元选择。D7～D0：数据线引脚CE*：片选输入端OE*：输出允许控制端PGM*：编程时，加编程脉冲的输入端Vpp：编程时，编程电压（+12V或+25V）输入端Vcc：+5V，芯片的工作电压。GND：数字地。NC：无用端2.EPROM芯片的工作方式（1）读出方式片选控制线为低,同时输出允许控制线为低，Vpp为+5V，指定地址单元的内容从D7～D0上读出。（2）未选中方式片选控制线为高电平。（3）编程方式Vpp端加上规定高压,CE*和OE*端加合适电平(不同的芯片要求不同)，就能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。（4）编程校验方式（5）编程禁止方式输出呈高阻状态，不写入程序。8.4.2程序存储器的操作时序1.访问程序存储器的控制信号（1）ALE（2）PSEN*（3）EA*如果指令是从片外EPROM中读取，ALE用于低8位地址锁存，PSEN*接外扩EPROM的OE*脚。P0口:分时低8位地址总线和数据总线，P2口:高8位地址线。2.操作时序(1)应用系统中无片外RAM(2)应用系统中接有片外RAM由图(b)可看出：（1）将ALE用作定时脉冲输出时，执行一次MOVX指令就会丢失一个脉冲。（2）只有在执行MOVX指令时的第二个机器周期期间，地址总线才由数据存储器使用。8.4.3典型的EPROM接口电路1.使用单片EPROM的扩展电路2716、2732EPROM价格贵，容量小，且难以买到。仅介绍2764、27128、27256、27512芯片的接口电路。下图为外扩16K字节的EPROM27128的接口电路图。MCS-51外扩单片32K字节的EPROM27256的接口。程序存储器所占的地址空间，自己分析。3.使用多片EPROM的扩展电路MCS-51扩展4片27128。4片27128各自所占的地址空间，自己分析。8.5静态数据存储器的扩展8.5.1常用的静态RAM（SRAM）芯片典型型号有:6116、6264、62128、62256。+5V电源供电，双列直插封装，6116为24引脚封装，6264、62128、62256为28引脚封装，引脚如下图。各引脚功能如下:A0～A14：地址输入线。D0～D7：双向三态数据线。CE*：片选信号输入。对于6264芯片，当26脚(CS)为高电平时,且CE*为低电平时才选中该片。OE*：读选通信号输入线。WE*：写允许信号输入线，低电平有效。Vcc：工作电源+5VGND：地有读出、写入、维持三种工作方式，这些工作方式的操作控制如表8-6(P181)。8.5.2外扩数据存储器的读写操作时序1.读片外RAM操作时序2.写片外RAM操作时序写是CPU主动把数据送上P0口总线。故在时序上，CPU先向P0口总线上送完8位地址后，在S3状态就将数据送到P0口总线。8.5.3典型的外扩数据存储器的接口电路图8-21给出了用线选法扩展8031外部数据存储器的电路。地址线为A0～A12，故8031剩余地址线为三根。用线选法可扩展3片6264。3片6264对应的存储器空间如下表。译码选通法扩展,如下图所示。各片62128地址分配见表8-9。表8-9各片62128地址分配P2.6P2.7译码输出选中芯片地址范围存储容量00YO*IC10000H-3FFFH16K01Y1*IC24000H-7FFFH16K10Y2*IC38000H-BFFFH16K11Y3*IC4C000H-FFFFH16K单片62256与8031的接口电路如图8-23所示。地址范围为0000H～7FFFH。例8-1编写程序将片外数据存储器中5000H～50FFH单元全部清零。方法1：用DPTR作为数据区地址指针，同时使用字节计数器。MOVDPTR，#5000H；设置数据块指针的初值MOVR7，#00H；设置块长度计数器初值CLRALOOP：MOVX@DPTR，A；把某一单元清零INCDPTR；地址指针加1DJNZR7，LOOP；数据块长度减1，若不为0则继续清零HERE：SJMPHERE；执行完毕，原地踏步方法2：用DPTR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。MOVDPTR，#5000HCLRALOOP：MOVX@DPTR，AINCDPTRMOVR7，DPLCJNER7，#0，LOOP；与末地址+1比较HERE：SJMPHERE8.6EPROM和RAM的综合扩展8.6.1综合扩展的硬件接口电路例8-2采用线选法扩展2片8KB的RAM和2片8KB的EPROM。RAM选6264，EPROM选2764。扩展接口电路见下图。（1）各芯片地址空间分配（2）控制信号及片选信号IC2和IC4占用地址空间为2000H～3FFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范围4000H～5FFFH（P2