MCS单片机扩展存储器新设计

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1、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

2、功能通常把系统总线分为三组： 1.地址总线（Adress Bus,简写AB） 2.数据总线(Data Bus，简写DB) 3.控制总线（Control Bus，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

3、(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

4、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（ Serial Periperal Interface）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。 EPRO

5、M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

6、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A0A11，分别与 单片机的P0口及P2.0P2.3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（P2.4P2.7）作为片选线。

7、两片程序存储器的地址范围： 2732（1）的地址范围：7000H7FFFH; 2732（2）的地址范围: B000HBFFFH; 6116（1）的地址范围：E800HEFFFH; 6116（2）的地址范围：D800HDFFFH。 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（38译码器）

8、 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 G1 G2A* G2B* C B A Y7* 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RAM 6264，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

9、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: D7D0: 8位数据输入线。 Q7Q0: 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

10、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）

11、Flash ROM 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（8KB8）、 27128（16KB8）、27256（32KB8）、27512（ 64KB8）。 “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： A0A15：地址线引脚。数目决定存储容量来定，用 来进行单元选择。 D7D0：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

12、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D7D0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*

13、（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、2732 EPROM价格贵，容量小，且难以买到。 仅介绍2764、27128

14、、27256、27512芯片的接口电路。 下图为外扩16K字节的EPROM 27128的接口电路图 。 MCS-51外扩单片32K字节的EPROM 27256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: A0A1

15、4：地址输入线。 D0D7：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+5V GND：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

16、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A0A12，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 P2.6 P2.7 译码输出 选中芯片 地址范围 存储容量 0 0 YO* IC1 0000H-3FFFH 16K 0 1 Y1* IC2 4000H-7FFFH 16K 1 0 Y2* IC3 8000H-BFFFH 16K 1 1 Y3* IC4 C000H-FFFFH 16K 单片62256与8031的接口电路如图8-23所示。地址范 围为0000H7FFFH。 例8-1 编写程序将片外数据存储器中5000H50FFH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。