C单片机扩展存储器设计

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1、第8章 89C51单片机扩展存储器的设计 8.1 系统扩展结构 AT89C51系统并行扩展结构如图8-1所示。 图8-1 由图8-1可以看出，系统扩展主要包括存储器扩展和I/O接口 部件扩展。 外部存储器扩展又包括程序存储器扩展和数据存储器扩展。 AT89C51采用的是哈佛结构。扩展后，系统形成了两个并 行的外部存储器空间。 89C51单片机采用并行总线结构，大大增加了系统的灵活性 ，使扩展易于实现，各扩展部件只要符合总线规范，就 能很方便地接入系统。 由于系统扩展是通过总线把AT89C51与各扩展部件连接起来 。因此，要进行系统扩展首先要构造系统总线。 系统总线按功能分为三组，如图8-1所示

2、。 （1）地址总线（Adress Bus，AB） 地址总线用于传送单片机发出的地址信号，以便进行存储单元 和I/O接口芯片中的寄存器选择。地址总线是单向传输的。 （2）数据总线(Data Bus，DB) 数据总线用于在单片机与存储器之间或与I/O端口之间传送数 据。数据总线是双向的，可以进行两个方向的传送。 （3）控制总线（Control Bus，CB） 控制总线实际上就是单片机发出的各种控制信号线。 下面讨论如何构造系统三总线 1以P0口作为低8位地址/数据总线 AT89C51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

3、似的片外三总线，见图8-2。 图8-2 2. 以P2口的口线作为高位地址线 P2口的全部8位口线用作高位地址线，再加上P0口经地址锁存 器提供的低8位地址，便形成了完整的16位地址总线（见图8 -2），使寻址范围达到64KB。 3控制信号线 除了地址线和数据线之外，还要有系统的控制总线。这些信号 有的就是单片机引脚的第一功能信号，有的则是P3口第二功 能信号。其中包括： （1）PSEN*信号作为外扩程序存储器的读选通控制信号。 （2）RD*和WR*信号作为外扩数据存储器和I/O接口的读、写选 通控制信号。 （3）ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。 （4）EA*信号作为内、外程序存储器的选

4、择控制信号。 可看出，尽管89C51单片机有4个并行的I/O口，共32条口线， 但由于系统扩展的需要，真正作为数字I/O使用的，就剩下 P1口和P3口的部分口线了。 8.2 地址空间分配和外部地址锁存器 8.2.1 存储器地址空间分配 如何把外部各自的64KB空间分配给各个程序存储器、数据存储 器芯片，并且使程序存储器的各个芯片之间，数据存储器各 芯片之间，为避免发生数据冲突，一个存储器单元对应一个 地址，这就是存储器的地址空间的分配问题。 在外扩的多片存储器芯片中，AT89C51要完成这种功能，必须进 行两种选择： 一是必须选中该存储器芯片（或I/O接口芯片），这称为“片选” ，只有被“选中

5、”的存储器芯片才能被AT89C51读出或写入数 据。为了片选的需要，每个存储器芯片都有片选信号引脚， 二是在“片选”的基础上再选择该芯片的某一单元，称为“单元选 择”。 常用的存储器地址空间分配方法有两种：线性选择法（简 称线选法）和地址译码法（简称译码法），下面分别介 绍。 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”控制信号。为此，只需要把用到的高位地 址线与存储器芯片的“片选”端直接连接即可。 线选法的优点是电路简单，不需要另外增加地址译码器硬 件电路，体积小，成本低。 缺点是可寻址的芯片数目受到限制。 另外，地址空间不连续，每个存储单元的地址不唯一，

6、不 能充分有效地利用存储空间，这会给程序设计带来一些不便 ，只适用于外扩芯片数目不多的单片机系统的存储器扩展 。 2译码法 使用译码器对89C51的高位地址进行译码，将译码器的译码输 出作为存储器芯片的片选信号。是最常用的地址空间分配 的方法，它能有效地利用存储器空间，适用于多芯片的存 储器扩展。 常用的译码器芯片有74LS138（3-8译码器）74LS139（双2-4 译码器）74LS154（4-16译码器）。若全部高位地址线都参 加译码，称为全译码；若仅部分高位地址线参加译码，称 为部分译码。部分译码存在着部分存储器地址空间相重叠的情 况。 两种常用的译码器芯片。 （1）74LS138 7

7、4LS138是3-8译码器，有3个数据输入端,经译码产生8种状态 。其引脚如图8-3所示，真值表如表8-1所示。 由表8-1可见，当译码器的输入为某一固定编码时，其输出仅 有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。而输 出为低电平的引脚就作为某一存储器芯片的片选端的控制 信号。 图8-3 表8-1 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 74LS139是双2-4译码器。两个译码器完全独立，分别有各自的 数据输入端、译码状态输出端以及数据输入允许端。其引脚 如图8-

8、4所示，真值表如表8-2所示（见P138）。 图8-4 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？ 64KB地址空间的分配如图8-5所示。 图8-5 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。 如果用74LS138把64K空间全部划分为每块4KB，如何划分呢？ 由于4KB空间需要12条地址线进行“单元选择”，而译码器的 输入有3条地址线（P2.6P2.4），P2.7没有参加译码， P2.7发出的0或1决定了选择64KB存储器空间的前32

9、KB还是后 32KB，由于P2.7没有参加译码，就不是全译码方式，这样前 后两个32KB空间就重叠了。 那么，这32KB空间利用74LS138译码器可划分为8个4KB空间。 如果把P2.7通过一个非门与74LS138译码器的G1端连接起来 ，如图8-6所示，就不会发生两个32KB空间重叠的问题了。 8.2.2 外部地址锁存器 地址锁存器芯片: 74LS373、8282、74LS573等。 1. 锁存器74LS373 带有三态门的8D锁存器,其引脚及内部结构如图8-7和图8-8。 89C51与74LS373的连接如图8-9所示。 图8-6 引脚说明如下: D7D0: 8位数据输入线。 Q7Q0:

10、 8位数据输出线。 G: 数据输入锁存选通信号, 图8-7图8-8 OE*: 数据输出允许信号 图8-9 74LS373功能如表8-3所示。 表8-3 74LS373功能表 OE* GDQ 0111 0100 00不变 1高阻态 2锁存器74LS573 输入的D端和输出的Q端依次排在芯片的两侧，为绘制印刷电 路板时的布线提供了方便。 图8-10 74LS573的各引脚说明如下: 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，该引脚与74LS373的G端功能相同 。 OE*：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时 ，三态门打开，锁存器中数据输出到数

11、据输出线。当该信 号为高电平时，输出线为高阻态。 8.3 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）Flash ROM 又称闪烁存储器，简称闪存。大有取代E2PROM的趋势。 目前许多公司生产的以80

12、51为内核的单片机，在芯片内部大 多集成了数量不等的Flash ROM。 例如，美国ATMEL公司生产的与51系列单片机兼容的产品 89C2051/89C51/89C52/89C55，片内分别有 2KB/4KB/8KB/20KB的Flash ROM，来作为EPROM使用。 对于这类单片机，在片内的Flash ROM满足要求的情况下，扩 展外部程序存储器的工作就可省去。 8.3.1 常用EPROM芯片 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。 随着大规模集成电路技

13、术的发展，大容量存储器芯片的产量剧 增，售价不断下降，其性价比明显增高，而且由于有些厂家 已停止生产小容量的芯片，使市场上某些小容量芯片的价格 反而比大容量芯片还贵。 所以，在扩展程序存储器设计时，应尽量采用大容量芯片。 1.常用的EPROM芯片 27系列EPROM芯片的引脚如图8-11所示，参数见表8-4（P143， 略）。 图8-11中的引脚功能如下： 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：编程时，编程电压（+12V或+25V）输入端 Vcc：+5

14、V，芯片的工作电压。 GND：数字地。 NC：无用端 表8-4所示为27系列EPROM芯片的技术参数，其中VCC是芯片供 电电压，Vpp是编程电压，Im为最大静态电流，Is为维持电 流，TRM为最大读出时间。 图8-11 2. EPROM芯片的工作方式 5种工作方式如表8-5所示。 （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）

15、编程禁止方式 输出呈高阻状态，不写入程序。 8.3.2 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 图8-12(a) (2) 应用系统中接有片外RAM 图8-12(b) 由图8-12(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

16、线 才由数据存储器使用。 8.3.3 AT89C51与EPROM的接口电路设计 1. 硬件接口电路 设计时，由于EPROM在正常使用中只能读出，不能写入，故 EPROM芯片没有写入控制脚，只有读出控制脚，记为OE*，它 与89C51单片机的PSEN*相连，地址线、数据线分别与89C51的 地址线、数据线相连，片选端的控制可采用线选法或译码法 。图8-13为外扩一片27128的接口电路图 。 图8-13 3. 使用多片EPROM的扩展电路 AT89C51扩展4片27128。 图8-14 图8-14中的片选控制信号由译码器产生。4片27128各自所占的 地址空间，请读者自己分析。 8.4 静态数据存储器的扩展 在单片机应用系统中，外扩的数据存