MCS-51单片机扩展存储器的设计

第8章MCS-51单片机扩展存储器设计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。系统扩展主要内容有：(1)外部存储器的扩展（外部RAM、ROM）(2)I/O接口部件的扩展。本章介绍如何扩展外部存储器，I/O接口部件的扩展下一章介绍。返回8051/8751最小应用系统8.1.1最小应用系统8031最小应用系统返回8.1.2系统扩展的三总线结构MCS-51单片机外部存储器结构:哈佛结构。MCS-96单片机存储器结构:普林斯顿结构。MCS-51RAM和ROM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系统总线按功能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构造系统总线地址锁存器74LS3731.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。*ALE——低8位地址锁存信号。*PSEN*——扩展程序存储器读选通信号。*EA*——内外程序存储器选择信号。*RD*和WR*——扩展RAM和I/O口的读选通、写选通信号。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口线少,可靠性提高。缺点:串行接口器件速度较慢在多数应用场合，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OE*和WE*，与RD*和WR*相连。EPROM芯片：只有读出引脚，OE*，与PSEN*相连。8.3.2存储器地址空间分配8031373G27166116(2)6116(1)8155P0P2.2--P2.0PSENALEWRRDABCG2AG2BG1P1.0A0~A7A8~A10D7~D0D7~D0D7~D0CECECSOEA0~A7A8~A10WEWEOEOEWERDALEAD0~AD7CEY2Y1Y0+5VIO/MPAPBPCP2.3P2.4P2.5P2.6P2.7直接用系统的高位地址线作RAM芯片的片选信号。例:外扩8KBEPROM（2片2732）4KBRAM（2片6116）线选法和地址译码法1.线选法2732:4KBROM，12根地址线A0～A11，1根片选线6116:2KBRAM，11根地址线A0～A10，1根片选线片选端低电平有效地址范围：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优点：电路简单，不需另外增加硬件电路，体积小，成本低。缺点：可寻址的器件数目受限，地址空间不连续。只适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统2.译码法常用译码器芯片：74LS138（3-8译码器）74LS139（双2-4译码器）74LS154（4-16译码器）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）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）真值表如表8-2（P168）所示。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。例:要扩8片8KB的RAM6264，如何通过74LS138把64KB空间分配给各个芯片？•如果用74LS138把64K空间全部划分为每块4KB，如何划分？8.3.3外部地址锁存器8031373G27166116(2)6116(1)8155P0P2.2--P2.0PSENALEWRRDABCG2AG2BG1P1.0A0~A7A8~A10D7~D0D7~D0D7~D0CECECSOEA0~A7A8~A10WEWEOEOEWERDALEAD0~AD7CEY2Y1Y0+5VIO/MPAPBPCP2.3P2.4P2.5P2.6P2.7D7～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8.3.3外部地址锁存器常用地址锁存器芯片:74LS373、8282、74LS5731.锁存器74LS373（带有三态门的8D锁存器）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8282一样，为绘制印刷电路板时的布线提供方便。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,只适合于大批量生产。（2）可编程ROM（PROM）用独立的编程器写入，只能写入一次。（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，电擦除。读写操作与RAM相似，写入速度稍慢。断电后能够保存信息。（5）FlashROM又称闪烁存储器，简称闪存。电改写，电擦除，读写速度快（70ns），读写次数多（1万次）。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芯片电气参数见表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。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,输出允许为低，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端加规定高压,CE*和OE*端加合适电平，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（自学）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。3.使用多片EPROM的扩展电路扩展4片27128。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，6116为24引脚封装，6264、62128、62256为28引脚封装。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CS为高电平,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，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8.5.3典型的外扩数据存储器的接口电路图8-21用线选法扩展8031外部数据存储器的电路。地址线为A0～A12，故剩余地址线为三根。用线选法可扩展3片6264。3片6264对应的地址空间如下。译码选通法各片62128地址分配见表8-9。表8-9各片62128地址分配P2.7P2.6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RAM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。IC2和IC4占用地址空间为2000H～3FFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范围4000H～5FFFH（P2.6=1、P2.5=0、P2.7=0）。线选法地址不连续，地址空间利用不充分。例8-3采用译码器法扩展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM选用2764，RAM选用6264。共扩展4片芯片。可见译码法进行地址分配，各芯片地址空间是连续的。8.6.2外扩存储器电路的工作原理及软件设计1.单片机片外程序区读指令过程2.单片机片外数据区读写数据过程例如，把片外1000H单元的数送到片内RAM50H单元，程序如下：MOVDPTR，#1000HMOVXA，@DPTRMOV50H，A例如，把片内50H单元的数据送到片外1000H单元中，程序如下：MOVA,50HMOVDPTR,#1000HMOVX@DPTR,AMCS-51单片机读写片外数据存储器中的内容，除用MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A外，还可使用MOVXA,@Ri和MOVX@Ri,A。这时通过P0口输出Ri中的内容（低8位地址），而把P2口原有的内容作为高8位地址输出。例8-4将程序存储器中以TAB为首址的32个单元的内容依次传送到外部RAM以7000H为首地址的区域去。DPTR指向标号TAB的首地址。R0既指示外部RAM的地址，又表示数据标号TAB的位移量。本程序的循环次数为32，R0的值：0～31，R0值达到32就结束循环。MOVP2,#70HMOVDPTR,#TABMOVR0,#0AGIN:MOVA,R0MOVCA,@A+DPTRMOVX@R0,AINCR0CJNER0,#32,AGINHERE:SJMPHERETAB:DB……8.7E2PROM的扩展保留信息长达20年，不存在日光下信息缓慢丢失的问题。8.7.1常用的E2PROM芯片在芯片的引脚设计上，2KB的E2PROM2816与EPROM2716和RAM6116兼容8KB的E2PROM2864A与EPROM2764和RAM6264兼容2816、2817和2864A的读出时间均为250ns，写入时间10ms。E2PROM的主要性能见表8-10（P191）。8.7.3MCS-51扩展E2PROM的方法1.MCS-51外扩2817A2817A既可作为外部的数据存储器，又可作为程序存储器。通过P1.0查询2817A的RDY/BUSY*状态，来完成对2817A的写操作。片选信号由P2.7提供。2.MCS-51外扩2864A片选端与P2.7连接，P2.7=0才选中2864A，线选法决定了2864A对应多组地址空间，即:0000H～1FFFH2000H～3FFFH4000H～5FFFH