第8章单片机的存储器扩展

1、第第8 8章章 5151单片机存储器的扩展单片机存储器的扩展 n单片机系统的三总线的构造 n半导体存储器 n程序存储器的扩展方法n数据存储器的扩展方法n程序存储器和数据存储器的综合扩展主要内容2022-5-25单片机原理及其应用2 单片机系统的扩展是建立在地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）基础上的，这些总线都是并行的，能够理想地匹配CPU的处理速度。任何单片机之外的芯片和硬件资源必须通过总线与单片机相连，才能被单片机有效地管理，成为系统的有机组成部分。MCS-51单片机对外没有专用的地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB），在进行系统扩展时，首先需要扩展系统的三总

2、线。 单片机存储器的扩展单片机存储器的扩展2022-5-25单片机原理及其应用3锁存器MCS-51P2P0ALEGA8A15A0A7D0D7地址总线PSENRDWREA数据总线控制总线图8-1 MCS-51 单片机三总线构造原理图2022-5-25单片机原理及其应用4 当MCS-51单片机需要扩展外部ROM或外部RAM时，P0口可以提供低八位地址总线和数据总线，P2口提供高八位地址总线，这种情况下，P0和P2就不能再作为I/O使用了。对P0口采用分时复用技术使P0口的数据和地址分离。在时序上，P0口在ALE为有效高电平期间，输出低8位地址A7A0，同时，P2口上输出高8位地址A15A8。在AL

3、E由高变低时，P0口上的地址信号锁存到地址锁存器中。在ALE为有效低电平时，CPU对A15A0状态指定的单元进行操作，此时，P0口作为数据总线。 2022-5-25单片机原理及其应用5在单片机的片外增加一片地址锁存器，以ALE作为锁存控制信号，连接到锁存器的控制端G。当ALE为高电平时，P0口输出地址信息；在ALE出现下跳沿时，把P0口的地址信息锁存；ALE为低电平期间P0用作数据总线。D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7ALEEGP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7A0A1A2A3A4A5A6A7 74LS373作为地址锁存器的电路 2

4、022-5-25单片机原理及其应用6 地址总线（Address Bus，AB）由P0口输出的低8位地址必须经地址锁存器（74LS373或74LS273）锁存，这样，P2口和地址锁存器的8位输出构成了MCS-51的地址总线A15A0.A15P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 MCS-51单片机的地址总线为16位，它的存储器最大的扩展容量为216，即64K个单元。2022-5-25单片机原理及其应用7数据总线（Data Bus，DB）传

5、送的是数据信息，数据总线是双向的。数据总线用于在单片机与存储器之间、单片机与I/O口之间进行数据传送。单片机的数据总线为8位，由P0口提供，数位与P0口之间的对应关系为:D7D6D5D4D3D2D1D0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.02022-5-25单片机原理及其应用8 控制总线（Control Bus，CB）用来传送控制信号，用来协调单片机系统中各个部件的工作。MCS-51单片机与扩展相关的控制总线如下： （1）ALE用来实现低8位地址的锁存。 （2） EA 片内/片外程序存储器选择控制信号。 （3）PSEN外部程序存储器读选通信号。 （4）WR 扩展的外部

6、数据存储器和外部I/O口的写控制信号，是P3.6的第2功能，单片机输出的信号； （5）RD 扩展的外部数据存储器和外部I/O的读控制信号，是P3.7的第2功能，单片机输出的信号。第二功能RXD 串行数据接收T1 定时/计数器1，外部计数信号输入T0 定时/计数器0，外部计数信号输入INT1 外部中断1，输入TXD 串行数据发送INT0 外部中断0，输入WR 外部数据存储器写选通信号,输出端口引脚P3.0P3.2P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RD 外部数据存储器读选通信号,输出2022-5-25单片机原理及其应用10锁存器MCS-51P2P0ALEGA8A15A0A7D0D7地

7、址总线PSENRDWREA数据总线控制总线MCS-51 单片机三总线构造原理图2022-5-25单片机原理及其应用11 多芯片的扩展 MCS-51单片机扩展多片程序存储器芯片时，存储器芯片地址线、数据线和控制线的连接与单个芯片的连接是一样的。如何分配存储空间，使扩展的各个存储器芯片之间在使用过程中不发生访问冲突，是多个芯片扩展的关键。 （1）必须保证各个芯片不会在同一时刻被CPU选中 （2）在被选中的芯片上的各个存储单元的地址是唯一的。多个芯片的扩展主要解决的问题是保证各个芯片不会在同一时刻被选中，即芯片片选设计。系统扩展能力2022-5-25单片机原理及其应用12 片选信号的产生方法：（1）

8、采用线选法：通常用扩展时芯片没有使用的高位地址线作为芯片的片选。缺点：浪费了部分地址空间。（2）译码器译码法：用扩展时芯片没有使用的高位地址线作为译码器的输入，译码的结果作为片选信号。80C51P0P2.0P2.4ALEPSENEAD7D0A7A0A12A8OECEPGMVppVccD7D0A7A0A12A8OECEPGMVppVccP2.6GD7|D0Q7|Q0E27642764Vcc888888855574LS373RIC0IC1IC2IC32022-5-25单片机原理及其应用14为了使扩展的程序存储器空间与80C51片内的4KB的ROM不冲突（地址范围：00000FFFH），令P2.51

9、，扩展16K的外部程序存储器地址分配如下（默认为0）：系统的程序存储器空间分配为： 片内ROM：00000FFFH； IC2： 20003FFFH； IC3： 60007FFFH。 2022-5-25单片机原理及其应用15 存储器是计算机的记忆部件。CPU 要执行的程序、要处理的数据及中间结果等都存放在存储器中。存储容量和存取时间是存储器的两项重要指标，它们反映了存储记忆信息的多少与工作速度的快慢。根据读的方式，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。 2022-5-25单片机原理及其应用16 1、 随机存取存储器RAM 随机存取存储器（Random Access Memo

10、ry，RAM）可以多次写入和读出，每次写入后，原来的内容自动消失，被新写入的内容代替；对RAM进行读操作，不会改变RAM存储单元的内容；当电源掉电时，RAM里的内容随即消失。 RAM可分为为静态RAM和动态RAM。2022-5-25单片机原理及其应用17 静态RAM存取速度快，只要不掉电就可以持续地保持存储内容不变。在单片机应用系统被广泛使用。 动态RAM采用MOS晶体管栅极电容动态地存储电荷。存储信息的电容有足够多的存储电荷时表示“1”，无存储电荷时表示“0”。由于电容上的电荷会因电路泄漏而逐渐消失，即使电源不掉电，经过一段时间，动态RAM中的所存储的信息也会丢失。2022-5-25单片机原

11、理及其应用182、 只读存储器ROM 只读存储器（Read Only Memory，ROM），ROM一般用来存储程序和表格常数。ROM是采用特殊方式写入的，一旦写入，在使用过程中不能随机地修改，只能从其中读出信息。与RAM不同，当电源掉电时，ROM仍能保持内容不变。在读取该存储单元内容方面，ROM和RAM相似。只读存储器有掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM（也称EEPROM）、Flash ROM等。它们的区别在于写入信息和擦除存储信息的方式不同。2022-5-25单片机原理及其应用19 8.2.1 常用的EPROM芯片27系列芯片 单片机的程序存储器通常采用只读存储器，使用较多的是

12、EPROM和EEPROM。本节主要介绍EPROM的扩展方法。 典型EPROM为27系列芯片，其中27为产品代号，表示芯片存储位的容量（单位：K）。常用的芯片有：2716（2 K8位，2 K个单元，每个单元8位）、2732（4 K8位）、2764（8 K8位）、27128（16 K8位）、27256（32 K8位）和27512（64 K8位）等。2022-5-25单片机原理及其应用2027各芯片管脚及其兼容性能2022-5-25单片机原理及其应用21 （一）引脚介绍（以2764为例）： （1）电源线 Vcc（28脚）：工作电源，+5V； GND（14脚）：地； VPP（1脚）：编程电源。当芯片编

13、程时，由该引脚加编程电压，编程电压有以下几种：12.5V，25V，在芯片编程时，应确认芯片的编程电压。在芯片工作在应用系统中时，VPP接+5V。 （2）地址线（A12A0） 2764的容量为8K个单元，它有13根地址线。 2022-5-25单片机原理及其应用22 （3）数据线（D7D0） （4）片选线 CE：片选与芯片编程控制。当芯片工作在应用系统中时，作为芯片的片选信号，低电平有效。 （5）控制线 OE ：输出控制信号，低电平有效。 OE低电平时，2764的输出缓冲器打开，由A12A0指定单元的内容从D7D0输出。 PGM：芯片编程控制信号。当芯片编程时，用于引入编程脉冲。当芯片工作在应用系

14、统中时，PGM接5V。2022-5-25单片机原理及其应用23 8.2.2 外部程序存储器扩展原理 （一）外部程序存储器扩展使用的控制信号 （1）EA用于片内/片外程序存储器选择，输入信号。当EA=0时，CPU只访问扩展的片外程序存储器；当EA=1 时，单片机的程序存储器可由片内程序存储器和片外程序存储器构成，当访问的空间超过片内程序存储器的地址范围时，单片机的CPU自动从片外程序存储器取指令。 （2）ALE用于锁存P0口输出的低8位地址。 （3）PSEN 片外ROM读选通，输出信号，低电平时，单片机从片外程序存储器取指令；在单片机访问片内程序存储器时，该引脚输出高电平。2022-5-25单片

15、机原理及其应用24（二）外部程序存储器扩展原理MCS-51P0P2ALEPSEN锁存器GD7D0A7A0A15A8OEEPROM/E2PROMEA（1）程序存储器全部为外部的程序存储器扩展电路2022-5-25单片机原理及其应用25 MCS-51P0P2ALEPSEN锁存器GD7D0A7A0A15A8OEEPROM/E2PROMEAVccR（2）保留片内程序存储器的程序存储器扩展电路原理2022-5-25单片机原理及其应用26 8.2.3 EPROM 扩展电路 （一） 单芯片EPROM的扩展 （1）采用2764为8031/8032单片机扩展8K的程序存储器。 8031是MCS-51系列单片机中

16、一款片内不含程序存储器的产品，因此，在使用8031单片机时，必须扩展程序存储器。由于芯片中没有程序存储器，8031单片机的程序存储器全部是外部的，因此， 必须接地。EA2022-5-25单片机原理及其应用27P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0GED7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0VCC+5VA12A11A10A9A8PSENOEEACEVPPPGM8031276474LS373ALE图5.7 8031单片机扩

17、展8K的程序存储器2022-5-25单片机原理及其应用28 图中地址锁存器选用74LS373。由于系统中只有1片EPROM，它的片选端 接地，使2764始终处于被选中的状态。另外，2764的容量为8KB，在电路中仅使用了地址总线的低13位，即A12A0，也就是说，P2口仅有P2.4P2.0被使用了。必须指出的是，虽然P2口剩余的口线没有被2764使用，但是，它们不能再作为I/O口线使用了。CE2022-5-25单片机原理及其应用29扩展得到的8K程序存储器的地址范围 由于单片机复位后，程序计数器PC的内容为0000H，对于8031来说，该单元必定位于扩展的外部程序存储器，因此，令“”为0，把上

18、述编码写成十六进制数，我们得到了扩展的外部程序存储器的地址范围是00001FFFH，也就是说，对于扩展的2764的8K个单元，每个单元的地址是唯一的。2022-5-25单片机原理及其应用30（2）采用2764为80C51单片机扩展8K的程序存储器 80C51是MCS-51系列单片机中一款片内含有4K程序存储器的产品。假设某一应用系统采用80C51单片机，而其程序代码容量大于4K，在保留片内4K程序存储器的基础上，再扩展8K的外部程序存储器，在这种情况下，EA必须接高电平，以使单片机复位后，首先从单片机内部的程序存储器执行程序，内部程序存储器占用了程序存储器地址空间的前4K，即00000FFFH

19、。只有当程序计数器PC内容大于0FFFH时，CPU才会从外部扩展的程序存储器取指令。2022-5-25单片机原理及其应用31保留片内程序存储器的扩展方案80C51单片机扩展8K的程序存储器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0GED7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0VCC+5VA12A11A10A9A8PSENOEEACEVPPPGM80C51276474LS373+5VRALE2022-5-25单片机原理及其应用

20、32保留片内程序存储器的扩展方案的单元地址分析2022-5-25单片机原理及其应用33 在保留片内程序存储器的前提下，外部程序存储器的地址如何确定呢？显然，00000FFFH这4K的地址空间已被内部程序存储器占用，外部程序存储器空间不能包含这一地址范围。我们令A13（P2.5）的状态为“1”，A15A14都为0，那么，外部扩展的8K程序存储器地址范围为20003FFFH。（也可令A14（P2.6）的状态为“1”，A15A13为0，那么外部8K的地址为4000H5FFFH）。当PC内容在00000FFFH范围内时，虽然2764的A13A0的状态给出了单元地址，但是EA为高电平，CPU不会从276

21、4芯片中取指令的。2022-5-25单片机原理及其应用34 （二） 多芯片EPROM的扩展 MCS-51单片机扩展多片程序存储器芯片时，程序存储器芯片地址线、数据线和输出控制（ ）连接与单个芯片的连接是一样的。 多个芯片的扩展主要解决的问题是保证各个芯片不会在同一时刻被选中，即芯片片选设计。片选信号的产生方法：（1）采用线选法（2）译码器译码法OE2022-5-25单片机原理及其应用35多片外部程序存储器的扩展 译码器译码方法是使用译码器对MCS-51单片机的高位地址进行译码，用译码器的输出作为存储器芯片片选，以实现各扩展芯片片选不会同时有效，避免CPU访问冲突事件的发生。 译码器译码方法是单

22、片机扩展时常用的一种方法。常用的译码器芯片有24译码器（74LS139）、38译码器（74LS138）和416译码器（74LS154）。2022-5-25单片机原理及其应用361）24译码器74L1BGNDG18161514131211109Vcc0Y11Y12Y13Y12A2BG20Y21Y22Y23Y274LS139引脚图 74LS139真值表 2022-5-25单片机原理及其应用37 （2）38译码器 74LS1381234567ABCGNDG2A8161514131211109Vcc0Y7YB2GG11Y2Y3Y4Y5Y6Y2022-5-25单片机原理及其应用

23、3874LS138的功能表2022-5-25单片机原理及其应用39 （3）采用译码器译码产生片选信号的程序存储器扩展80C51P0P2.0P2.4ALEPSENEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC1IC074LS139P2.6D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC4D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC5D7D0A7A0A12A8OECE2764885IC6D7D0A7A0A12A8OECE27648885IC30Y1Y2Y3YBAGIC2采用4片2764为80C51扩展32K的外部程序存储器2022-5-25单片机原理及其应用40扩展32K

24、的外部程序存储器地址分配如下（默认为0）：2022-5-25单片机原理及其应用41系统中各个芯片的地址范围如下IC3地址范围：00001FFFH；IC4地址范围：20003FFFH；IC5地址范围：40005FFFH；IC6地址范围：60007FFFH； 2022-5-25单片机原理及其应用42 扩展程序存储器应注意： （1） 根据应用系统容量要求选择EPROM 芯片时，应使应用系统电路尽量简化，在满足容量要求时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数量。 （2）择好EPROM容量后，要选择好能满足应用系统应用环境要求的芯片型号。如最大读取时间、电源容差、工作温度以及老化时间等。 （3）通用EP

25、ROM 芯片管脚有一定的兼容性，在电路设计时应充分考虑其兼容特点。如2764、27128、27256 ，可将第26、27 管脚的印刷电路连线设计成易于改接的形式。2022-5-25单片机原理及其应用43 8.3.1 常用静态数据存储器芯片单片机扩展外部数据存储器时，大都采用静态RAM，使用较为方便，不需要考虑刷新的问题。常用的SRAM芯片有：6116（2K8）、6264（8K8）、62256（32K8）等。8.3 数据存储器扩展6116 6264622562022-5-25单片机原理及其应用44 6116 是2Kx8 位静态随机存储器芯片，采用CMOS 工艺制作，单一+5V 电源，额定功耗16

26、0mW，典型存取时间为200ns，24个引脚，双列直插式封装。 A0A10 ：11位地址线；共有2K个单元。 I/O0I/O7：8位数据线； CE：片选信号，低电平有效；OE：输出控制。在CE为低电平时，OE为低电平把A0A10所指定的单元的内容从数据线I/O0I/O7输出。 WE：写入控制。在CE为低电平时，WE为低电平把数据线I/O0I/O7输入的数据写入到A0A10指定的单元。数据存储器扩展（1）61162022-5-25单片机原理及其应用456116的工作方式数据存储器扩展2022-5-25单片机原理及其应用46 （2）6264 6264是8K8 位的静态随机存储器芯片，单一+5V 电

27、源，额定功耗200mW，典型存取时间为200ns。28个引脚，双列直插式封装。数据存储器扩展6264的工作方式2022-5-25单片机原理及其应用47（3） 62256 62256是32K8 位的静态随机存储器芯片，单一+5V 电源，28个引脚，双列直插式封装。数据存储器扩展62256的工作方式2022-5-25单片机原理及其应用48 8.3.2 SRAM的扩展方法数据存储器扩展MCS-51P0P2ALE锁存器GD7D0A7A0A15A8OERDWRWERAM单片机扩展外部RAM 的原理图2022-5-25单片机原理及其应用49数据存储器扩展 扩展的外部数据存储器通过地址总线、数据总线和控制总

28、线与MCS-51单片机相连。由P2口提供存储单元地址的高八位、P0口经过锁存器提供地址的低8位。P0口也分时提供双向的数据总线。外部数据存储器的读写由MCS-51单片机的RD（P3.7）和 WR（P3.6）控制。 2022-5-25单片机原理及其应用50 显然，程序存储器与外部数据存储器使用同一地址总线，它们的地址空间是完全重叠的，但由于单片机对两种存储器设计了两种不同的控制信号和指令，故不会发生地址冲突。单片机访问外部程序存储器时，使用PSEN控制对外部程序存储器单元的读取操作，即使程序存储器和数据存储器的单元地址完全相同，也不会造成访问冲突。MCS-51单片机的外部数据存储器的最大寻址空间

29、为64KB，即0000FFFFH。由于MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口是统一编址的，它们共同占用这一地址空间。数据存储器扩展2022-5-25单片机原理及其应用51读取外部数据存储器由下列指令实现： MOVX A, DPTR 或 MOVX A, Ri。 外部数据存储器写入操作由下列指令实现：MOVX DPTR, A 或 MOVX Ri, A。数据存储器扩展2022-5-25单片机原理及其应用52静态RAM扩展电路（1）采用6264为MCS-51单片机扩展8K外部数据存储器数据存储器扩展P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.

30、4P0.3P0.2P0.1P0.0D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0GED7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0VCC+5VA12A11A10A9A8EA80C51626474LS373+5VRALECE2CE1WEOEWRRD2022-5-25单片机原理及其应用53数据存储器扩展若默认为0，用6264扩展的8K外部数据存储器地址范围是：00001FFFH。8K外部数据存储器地址分析：2022-5-25单片机原理及其应用54 （2） 单片机外部RAM的使用 例1 把系统中的0250H单元的内容转存到单片机内部RAM的20H单元。 例2 单片

31、机内部RAM的寄存器R3的内容转存到系统中的1000H单元。 数据存储器扩展2022-5-25单片机原理及其应用5580C51P0P2.0P2.4ALEEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC3IC0P2.6D7D0A7A0A12A8OE6264885IC4D7D0A7A0A12A8OE6264885IC5D7D0A7A0A12A8OECE162648885IC3P2.7RDWRWEWEWERVccCE2CE1CE2CE1CE2VccVccVcc采用线选法为80C51扩展24K外部数据存储器的电路 数据存储器扩展2022-5-25单片机原理及其应用56数据存储器扩展24K外

32、部数据存储器地址分析：2022-5-25单片机原理及其应用57系统的外部数据存储器的24K地址空间分配为： IC3：C000DFFFH； IC4：A000BFFFH； IC5：60007FFFH。 线选法的优点是电路连接简单，产生片选信号时不必另加其他逻辑元件，但是，这种方法导致存储器芯片的地址空间是不连续的，不能充分地利用存储空间，扩展的存储器容量有限， 数据存储器扩展2022-5-25单片机原理及其应用58数据存储器扩展80C51P0P2.0P2.4ALEEAP2.5GD7|D0Q7|Q0E88574LS373IC3IC074LS138P2.6D7D0A7A0A12A8OE6264885I

33、C4D7D0A7A0A12A8OE6264885IC5D7D0A7A0A12A8OE6264885IC6D7D0A7A0A12A8OE62648885IC3IC2ABCG2AG2BG10Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7YP2.7RVccVccRDWRWEWEWEWECE1CE1CE1CE1CE2VccCE2VccCE2VccCE2Vcc74LS138采用译码器译码方法为80C51扩展32K外部数据存储器的电路 2022-5-25单片机原理及其应用59数据存储器扩展32K外部数据存储器地址分析：2022-5-25单片机原理及其应用60 在实际应用中，有时需要同时扩展程序存储器、数据存储器或者接口电路，如何把程序存储器的64K和外部数据存储器的64K空间分配给系统中的芯片，并使程序存储器芯片之间、数据存储器以及接口芯片之间的