第八章扩展存储器培训讲学

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1、第8章 AT89C51单片机 外部存储器的扩展,1,2,内容概要 许多情况，片内的存储器资源还不能满足需要，为此需AT89C51单片机进行外部程序存储器和外部数据存储器的扩展。 由于有时需要扩展多片芯片，首先介绍AT89C51单片机的两个外部存储器空间的地址分配的两种方法，即线选法和译码法。最后介绍扩展外部程序存储器和外部数据存储器的具体设计。,8.1 系统扩展结构 AT89C51单片机采用总线结构，使扩展易于实现，AT89C51单片机系统扩展结构如图8-1所示。 图8-1 AT89C51单片机的系统扩展结构,3,5,（1）地址总线（Address Bus，AB）：用于传送单片机发出的地址信号

2、，以便进行存储单元和I/O接口芯片中的寄存器单元的选择。 （2）数据总线（Data Bus，DB）：用于单片机与外部存储器之间或与I/O接口之间传送数据，数据总线是双向的。 （3）控制总线（Control Bus，CB）：控制总线是单片机发出的各种控制信号线。,如何来构造系统的三总线。 1P0口作为低8位地址/数据总线 AT89C51受引脚数目限制，P0口既用作低8位地址总线，又用作数据总线（分时复用），因此需增加一个8位地址锁存器。AT89C51访问外部扩展的存储器单元或I/O接口寄存器时，先发出低8位地址送地址锁存器锁存，锁存器输出作为系统的低8位地址（A7 A0）。随后，P0口又作为数据

3、总线口（D7 D0），如图8-2所示。 2P2口的口线作为高位地址线 P2口用作系统的高8位地址线，再加上地址锁存器提供的低8位地址，便形成了系统完整的16位地址总线。,6,使单片机系统的寻址范围达到64KB。,7,图8-2 AT89C51单片机扩展的片外三总线,3控制信号线 除地址线和数据线外，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。包括： （1） 作为外扩程序存储器的读选通控制信号。 （2） 和 为外扩数据存储器和I/O的读、写选通控制信号。 （3）ALE作为P0口发出的低8位地址锁存控制信号。 （4） 为片内、片外程序存储器的选择控制信

4、号。 可见，AT89C51的4个并行I/O口，由于系统扩展的需要，真正作为数字I/O用，就剩下P1和P3的部分口线了。,8,8.2 地址空间分配和外部地址锁存器 本节讨论如何进行存储器空间的地址分配，并介绍用于输出低8位地址的常用的地址锁存器。 8.2.1 存储器地址空间分配 实际系统设计中，既需要扩展程序存储器，又需要扩展数据存储器，如何把片外的两个64KB地址空间分配给各个程序存储器、数据存储器芯片，使一个存储单元只对应一个地址，避免单片机发出一个地址时，同时访问两个单元，发生数据冲突。这就是存储器地址空间分配问题。,9,AT89C51单片机发出的地址码用于选择某个存储器单元，外扩多片存储

5、器芯片中，单片机必须进行两种选择：一是选中该存储器芯片，这称为“片选”，未被选中的芯片不能被访问。二是在“片选”的基础上再根据单片机发出的地址码来对“选中” 芯片的某一单元进行访问，即“单元选择”。 为实现片选，存储器芯片都有片选引脚。同时也都有多条地址线引脚，以便进行单元选择。注意，“片选”和“单元选择”都是单片机通过地址线一次发出的地址信号来完成选择。 通常把单片机系统的地址线笼统地分为低位地址线和高,10,11,位地址线，“片选”都是使用高位地址线。实际上，16条地址线中的高、低位地址线的数目并不是固定的，只是习惯上把用于 “单元选择”的地址线，都称为低位地址线，其余的为高位地址线。 常

6、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），下面介绍。 1线选法 是直接利用系统的某一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，这会给程序设计带来不便，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AT89C51单片机的高位地址进行译码，译码输出作为存储器芯片的片选信号。这种方法能够有

7、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线-8线译码器）、74LS139（双2线-4线译码器）和74LS154（4线-16线译码器）。,12,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。 下面介绍常用的译码器芯片。 （1）74LS138 3线-8线译码器，有3个数据输入端，经译码产生8种状态。引脚如图8-3所示，真值表见表8-1。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。输出为低电平的引脚就作为某一存储器芯片的

8、片选信号。,13,14,（2）74LS139 双2线-4线译码器。这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8-4所示，真值表见表8-2（只给出其中一组）。 图8-3 74LS138引脚图 图8-4 74LS139引脚图,15,16,以74LS138为例，如何进行地址分配。 例如，要扩8片8KB的RAM 6264，如何通过74LS138把64KB空间分配给各个芯片？ 由74LS138真值表可知，把G1接到+5V， 、 接地，P2.7、P2.6、P2.5（高3位地址线）分别接74LS138的C、B、A端，由于对高3位地址译码，这样译码器有8个输出

9、，分别接到8片6264的各 “片选”端，实现8选1的片选。 低13位地址（P2.4P2.0，P0.7P0.0）完成对选中的6264芯片中的各个存储单元的“单元选择”。这样就把64KB存储器空间分成8个8KB空间了。,17,64KB地址空间分配如图8-5所示。 图8-5 64KB地址空间划分成8个8KB空间 这里采用全地址译码方式。因此，AT89C51发出16位地址时，每次只能选中某一芯片及该芯片的一个存储单元,18,如何用74LS138把64KB空间全部划分为4KB的块呢？4KB空间需12条地址线，而译码器输入只有3条地址线（P2.6P2.4），P2.7没有参加译码，P2.7发出的0或1决定选

10、择64KB存储器空间的前32KB还是后32KB，由于P2.7没有参加译码，就不是全译码方式，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。这时，选中的是64KB空间的前32KB空间，地址范,19,20,围为0000H7FFFH。如果去掉图8-6中的非门，地址范围为8000HFFFFH。把译码器的输出连到各个4KB存储器的片选端，这样就把32KB空间划分为8个4KB空间。P2.3P2.0，P0.7P0.0实现“单元选择”，P

11、2.6P2.4通过74LS138译码实现对各存储器芯片的片选。 采用译码器划分的地址空间块都是相等的，如果将地址空间块划分为不等的块，可采用可编程逻辑器件FPGA对其编程来代替译码器进行非线性译码。,图8-6 存储器空间被划分成每块4KB,21,8.2.2 外部地址锁存器 受引脚数的限制，P0口兼用数据线和低8位地址线，为了将它们分离出来，需在单片机外部增加地址锁存器。目前，常用的地址锁存器芯片有74LS373、74LS573等。 1锁存器74LS373 是一种带三态门的8D锁存器，其引脚如图8-7所示，内部结构如图8-8所示。AT89C51与74LS373锁存器的连接如图8-9所示。,22,

12、23,图8-7 锁存器74LS373的引脚,图8-8 74LS373的内部结构,24,25,图8-9 AT89C51单片机P0口与74LS373的连接,引脚说明： 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。当加到该引脚的信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。 ：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据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高阻态。 74LS373锁存器功能如表8-3。,26,27,图8-10 锁存器74LS573的引脚,2锁存器74LS573 也是一种带有三态门的

13、8D锁存器，功能及内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚排列与74LS373不同，图8-10为74LS573引脚图。 由图8-10，与74LS373相比，74LS573的输入D端和输出Q端依次排列在芯片两侧，为绘制印制电路板提供方便 引脚说明： 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。,28,29,：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据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高阻态。,30,8.3 程序存储器EPROM的扩展,程序存储器采用只读存储器，因为这种存储

14、器在电源关断后，仍能保存程序（我们称此特性为非易失性的），在系统上电后，CPU可取出这些指令重新执行。,只读存储器简称ROM（Read Only Memory）。ROM中的信息一旦写入，就不能随意更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的内容，故称为只读存储器。 向ROM中写入信息称为ROM编程。根据编程方式不同，分为以下几种。 （1）掩模ROM。在制造过程中编程，是以掩模工艺实现的，因此称为掩模ROM。这种芯片存储结构简单，集成度高，但由于掩模工艺成本较高，因此只适合于大批量生产。,31,（2）可编程ROM（PROM）。芯片出厂时没有任何程序信息，用独立的编程器写入。但PROM只能写一次，写入

15、内容后，就不能再修改。 （3）EPROM。用紫外线擦除，用电信号编程。在芯片外壳的中间位置有一个圆形窗口，对该窗口照射紫外线就可擦除原有的信息。使用编程器可将调试完毕的程序写入。 （4）E2PROM（EEPROM）。一种用电信号编程，也用电信号擦除的ROM芯片。对E2PROM的读写操作与RAM存储器几乎没有什么差别，只是写入的速度慢一些，但断电后仍能保存信息。,32,（5）Flash ROM。 又称闪速存储器（简称闪存），是在EPROM、E2PROM的基础上发展起来的一种电擦除型只读存储器。特点是可快速在线修改其存储单元中的数据，改写次数可达1万次，其读写速度很快，存取时间可达70ns，而成本

16、比E2PROM低得多，大有取代E2PROM的趋势。 目前许多公司生产的8051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公司产品AT89C5x/AT89S5x，片内有不同容量的Flash ROM。在片内的Flash ROM满足要求下，扩展外部程序存储器可省去。,33,8.3.1 常用的EPROM芯片 使用较多的是并行EPROM，首先介绍常用EPROM芯片。 EPROM的典型芯片是27系列产品，例如，2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）、27512（64KB）。型号 “27”后面的数字表示其位存储容量。如果换算成字节容量，只需将该数字除以8即可。 例如，“27128”中的“27”后的数字 “128”，128/8=16KB 随着大规模集成电路技术的发展，大容量存储器芯片产量剧增，售价不断下降，性价比明显增高，且由于小容量芯片停止生产，使市场某些小容量芯片价格反而比大容量芯片还贵。所以，应尽量采用大容量芯片。,34,1常用EPROM芯片引脚 27系