微机原理第五章存储器的扩展讲稿.ppt

微机原理第五章存储器的扩展第一页，讲稿共四十六页哦学习内容学习内容对于一些较大的应用系统，需要扩展一对于一些较大的应用系统，需要扩展一些外围芯片，以补充片内硬件资源的不足。些外围芯片，以补充片内硬件资源的不足。本章主要介绍存储器的扩展。本章主要介绍存储器的扩展。1.1.概述概述 2.2.地址的锁存地址的锁存 3.3.地址的译码地址的译码 4.4.外部存储器的扩展方法外部存储器的扩展方法 第二页，讲稿共四十六页哦第一节：概述第一节：概述一、一、片外总线结构片外总线结构n三总线结构形式三总线结构形式：当系统要求扩展时，为：当系统要求扩展时，为了便于与各种芯片相连接，应把单片机外部了便于与各种芯片相连接，应把单片机外部连线变为一般微机所具有的三总线结构形式：连线变为一般微机所具有的三总线结构形式：地址总线、数据总线、控制总线地址总线、数据总线、控制总线nMCS-51系列单片机的片外引脚可构成下图系列单片机的片外引脚可构成下图所示的三总线结构，所有的外围芯片都将通所示的三总线结构，所有的外围芯片都将通过这三总线进行扩展。过这三总线进行扩展。第三页，讲稿共四十六页哦三总线结构三总线结构第四页，讲稿共四十六页哦1.1.数数据据总总线线DBDB：宽宽度度8位位，由由P0口口提提供供，三三态态双双向向口口，单单片片机机与与外外部部交交换换的的所所有有信信息息，几几乎乎都都通通过过P0口口传传送送。是是应用系统中使用最频繁的通道。应用系统中使用最频繁的通道。片片外外多多个个扩扩展展芯芯片片的的数数据据线线采采用用并并联联方方式式连连接接在在数数据据总总线线上上，而而在在某某一一时时刻刻只只有有端端口口地地址址与与单单片片机机发发出出的的地地址址相相符符的的芯芯片片才能与单片机进行通信。才能与单片机进行通信。2.2.地地址址总总线线ABAB：宽宽度度16位位，寻寻址址范范围围21664K字字节。节。n低低8位位A7A0由由P0口经地址锁存器提供。口经地址锁存器提供。n高高8位位Al5A8由由P2口直接提供。口直接提供。P0、P2口在系统扩展中用作地址线后，便不能再作为一口在系统扩展中用作地址线后，便不能再作为一般般I/0口使用。口使用。第五页，讲稿共四十六页哦3.3.控控制制总总线线CBCB：包包括括片片外外系系统统扩扩展展用用控控制制线线和和片片外外信信号对单片机的控制线。号对单片机的控制线。（1）WR、RD：片片外外数数据据存存储储器器的的读读/写写控控制制。执执行行MOVX时，这两个信号分别自动生成。时，这两个信号分别自动生成。（2）PSEN：片片外外程程序序存存储储器器的的读读控控制制。执执行行MOVC时时，该信号自动生成。该信号自动生成。（3）ALE：锁锁存存P0口口输输出出的的低低8位位地地址址的的控控制制线线。ALE在在P0口口输输出出地地址址期期间间，用用下下降降沿沿控控制制锁锁存存器器对对地地址址进进行锁存，该信号自动生成。行锁存，该信号自动生成。（4）EA：选择片内、片外程序存储器。选择片内、片外程序存储器。0：片外程序存储器。片外程序存储器。1：片内程序存储器。片内程序存储器。第六页，讲稿共四十六页哦二、系统扩展能力二、系统扩展能力 n地址线地址线16位，容量位，容量64KB，地址，地址0000HFFFFH。片外。片外RAMRAM和和ROMROM的访问使用不同的指令及控制信号，允许两者地址的访问使用不同的指令及控制信号，允许两者地址重合。重合。n对于有片内对于有片内ROMROM的单片机，片内的单片机，片内ROMROM与片外与片外ROMROM的访问使用的访问使用相同的操作指令，对两者的选择则靠硬件来实现。相同的操作指令，对两者的选择则靠硬件来实现。EA0时，选择片外程序存储器，即无论片内有无程序时，选择片外程序存储器，即无论片内有无程序存储器，片外程序存储器的地址可从存储器，片外程序存储器的地址可从0000H开始开始EAl时，选片内程序存储器，若片内程序存储器容量为时，选片内程序存储器，若片内程序存储器容量为4KB，则其地址为，则其地址为0000H0FFFH，片外程序存储器地，片外程序存储器地址只能从址只能从1000H开始。开始。第七页，讲稿共四十六页哦n为了应用系统的需要而扩展的为了应用系统的需要而扩展的I/O口、口、A/D、D/A转换口及定时转换口及定时/计数器均是与片外数据计数器均是与片外数据存储器统一编址的。即通常把存储器统一编址的。即通常把64KB的外部数的外部数据存储器空间的一部分作为扩展据存储器空间的一部分作为扩展I/O端口的端口的地址空间，每一个地址空间，每一个I/O口相当于一个数据存口相当于一个数据存储单元，储单元，CPU如同访问外部数据存储器一样如同访问外部数据存储器一样访问扩展访问扩展I/O口，对其进行读写操作。口，对其进行读写操作。第八页，讲稿共四十六页哦三、常用存储器芯片三、常用存储器芯片 1 1、程序存储器：存放程序代码和常数、程序存储器：存放程序代码和常数由于单片机的应用系统通常是专用的微由于单片机的应用系统通常是专用的微机系统，一经开发研制完毕，其软件也就机系统，一经开发研制完毕，其软件也就定型，所以常用半导体只读存储器（定型，所以常用半导体只读存储器（Read Read Only Memory,Only Memory,缩写为缩写为ROMROM）作为单片机的）作为单片机的程序存储器。程序存储器。第九页，讲稿共四十六页哦根据写入或擦除方式的不同，根据写入或擦除方式的不同，ROMROM分为分为5 5种种 (1)掩膜掩膜ROM 由由芯芯片片生生产产厂厂家家用用最最后后一一道道掩掩膜膜工工艺艺来来写写入入信信息息的的，用用户户不不能能再再作作更更改改，如如8051的的内内部部ROM。掩掩膜膜ROM集集成成度度高高，成成本本低低，适适合合用用于大批量生产。于大批量生产。(2)可编程可编程ROM（PROM）芯芯片片出出厂厂前前未未写写入入信信息息，由由用用户户自自行行写写入入（即即编编程程），在在专专用用的的编编程程器器上上进进行行的的。一一旦旦编编程后，芯片内容不能再作更改。程后，芯片内容不能再作更改。第十页，讲稿共四十六页哦(3)紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROM（EPROM）由由用用户户利利用用编编程程器器写写入入信信息息，其其内内容容可可以以更更改改。在在紫紫外外线线照照射射下下使使电电路路复复位位，原原存存信信息息被被擦擦除除，然然后后重重新新编编程。能反复多次使用。程。能反复多次使用。EPROM广泛应用于各种微机系统。通常采用的标准芯片有：广泛应用于各种微机系统。通常采用的标准芯片有：2716（2KB）、2732（4KB）2764（8KB）、27128（16KB）27256（32KB）、）、27512（64KB）。）。第十一页，讲稿共四十六页哦(4)电擦除可编程电擦除可编程ROM（EEPROM）采采用用电电的的方方法法擦擦除除，能能整整片片擦擦除除，字字节节擦擦除除，擦擦除除和和写写入入可可以以在在单单片片机机内内进进行行，不不需需要要附附加加设设备备，每每个个字字节节允允许许擦擦写写次次数数目目前前约约1万万次次。因因而而比比EPROM性性能能更更优优越越，但但价价格格较较高高。常常用的有两种类型芯片：用的有两种类型芯片：21V写入：写入：2816，2817（2K字节）。字节）。5V写写入入：2816A，2817A（2K字字节节），2864（8K字节）字节）。第十二页，讲稿共四十六页哦（5）快擦写型存储器（快擦写型存储器（Flash Memory）一种新型的可擦除、非易失性存储器。它既有一种新型的可擦除、非易失性存储器。它既有EPROM价格低、集成度高的优点，又有价格低、集成度高的优点，又有EEPROM电可擦除和写入的特性。其擦除电可擦除和写入的特性。其擦除和写入的速度比和写入的速度比EEPROM快得多，目前商快得多，目前商品化的品化的FlashMemory已做到允许擦写次数已做到允许擦写次数达达10万次。这种存储器具有很好的应用前万次。这种存储器具有很好的应用前景。景。第十三页，讲稿共四十六页哦2 2、数据存储器：、数据存储器：功功能能：存存储储现现场场采采集集的的原原始始数数据据、运算结果。运算结果。需需要要经经常常进进行行读读写写操操作作，所所以以通通常常采采用用半半导导体体读读写写存存储储器器，即即随随机机存存取取存存储储器器（Random Access Memory）RAM作作为为片片外外数数据据存存储器。储器。EEPROM也可用作片外数据存储器。也可用作片外数据存储器。第十四页，讲稿共四十六页哦MOSMOS型型RAMRAM按基本存储电路的结按基本存储电路的结构和特性分构和特性分4 4类类（1）静态静态RAM（SRAM）基基本本存存储储单单元元是是MOS双双稳稳态态触触发发器器。一一个个触触发发器器可可以以存存储储一一位位二二进进制制信信息息。SRAM能能可可靠靠地地保保持持所所存存信信息息。常常用用的的芯芯片片有有6116（2K字字节），节），6264（8K字节）。字节）。SRAM芯芯片片集集成成度度较较低低，功功耗耗较较大大，电电路路连连接接简简单单，断断电电信信息息丢丢失失（易易失失性性），常常用用于于存存储容量较小的微机应用系统储容量较小的微机应用系统第十五页，讲稿共四十六页哦（2）动态动态RAM（DRAM）利利用用MOS管管的的栅栅极极和和源源极极之之间间的的电电容容来来保保存存信信息息。由由于于栅栅源源极极间间电电容容的的电电荷荷量量会会逐逐渐渐泄泄漏漏，因因此此需需要要由由CPU按按一一定定时时间间（如如12ms）将将所所有有存存入入的的信信息息逐逐个个读读出出来来，经经放放大大后后再再写写回回去去，以以保保持持原原来来的的信信息息不不变变。这这一一操操作作称称为为动动态态存存储储器器的的刷刷新新。为为此此需需要要刷刷新新电电路路和和相相应应的控制逻辑。常用的芯片有的控制逻辑。常用的芯片有2164（64K位）等。位）等。DRAM芯芯片片集集成成度度高高，功功耗耗小小，价价格格低低，但但有有关关电电路路较较复复杂杂，广泛用于存储容量大的微机系统。广泛用于存储容量大的微机系统。第十六页，讲稿共四十六页哦（3）集成集成RAM（iRAM）集成集成RAM（Integrated RAM，缩写为，缩写为iRAM），这是一种带刷新逻辑电路的），这是一种带刷新逻辑电路的DRAM。由于它自带刷新逻辑，因而简化了。由于它自带刷新逻辑，因而简化了与微处理器的连接电路，使用它和使用与微处理器的连接电路，使用它和使用SRAM一样方便，常用的芯片有一样方便，常用的芯片有2186 第十七页，讲稿共四十六页哦（4）非易失性非易失性RAM（NVRAM）非非易易失失性性RAM（Non-VoIatile RAM，缩缩写写为为NVRAM），其其存存储储体体由由SRAM和和EEPROM两两部部分分组组合合而而成成。正正常常读读写写时时，SRAM工工作作。当当要要保保存存信信息息时时（如如电电源源掉掉电电），控控制制电电路路将将SRAM的的内内容容复复制制到到EEPROM中中保保存存。存入存入EEPROM中的信息又能够恢复到中的信息又能够恢复到SRAM中。中。NVRAM既能随机存取，又具有非易失性，适合用于需要既能随机存取，又具有非易失性，适合用于需要掉电保护的场合。目前芯片容量还不能做得很大，另外掉电保护的场合。目前芯片容量还不能做得很大，另外由于由于EEPROM的擦写次数有限制，因而影响的擦写次数有限制，因而影响NVRAM的的使用寿命。使用寿命。第十八页，讲稿共四十六页哦第二节：地址的锁存第二节：地址的锁存 一、锁存的作用一、锁存的作用由于由于P0P0口采用分时复用。口采用分时复用。CPUCPU先从先从P0P0口输口输出低八位地址，从出低八位地址，从P2P2口输出高八位地址，选口输出高八位地址，选择访问的单元，再从择访问的单元，再从P0P0口读写数据。所以，口读写数据。所以，应通过地址锁存器把应通过地址锁存器把P0P0口首先输出的低八位口首先输出的低八位地址锁存起来。地址锁存起来。ALEALE是锁存命令，是锁存命令，P0P0输出的输出的地址地址8 8位在位在ALEALE的下降沿送入地址锁存器。地的下降沿送入地址锁存器。地址锁存器的输出作为地址总线低址锁存器的输出作为地址总线低8 8位位A7A7A0A0。第十九页，讲稿共四十六页哦二、地址锁存器二、地址锁存器 n地地址址锁锁存存器器通通常常使使用用TTL芯芯片片74LS373。它它是是带带有有三三态态门门的的8D锁锁存存器器，双双列列直直插插20引引脚脚三态门使能端：三态门使能端：8D锁存器控锁存器控制端制端输出端输出端输入端输入端第二十页，讲稿共四十六页哦74LS373可看做两部分：可看做两部分：锁存器、三态门锁存器、三态门nG：8D锁存器控制端。锁存器控制端。1 1：直通：直通，即，即QiDi。1变变0时，数据被锁存，输出时，数据被锁存，输出端端Qi不再随输入端的变化不再随输入端的变化而变化，而一直保持锁存前而变化，而一直保持锁存前的值不变。的值不变。n OE：三态门使能端。三态门使能端。0：三态门输出为标准三态门输出为标准TTL电电平；平；1：三态门输出高阻态；三态门输出高阻态；第二十一页，讲稿共四十六页哦74LS373的逻辑功能表的逻辑功能表 第二十二页，讲稿共四十六页哦74LS373与单片机的连接方法与单片机的连接方法 第二十三页，讲稿共四十六页哦第三节：地址的译码第三节：地址的译码 n某存储器芯片某存储器芯片n地址线：地址线：1111根根A A1010A A0 0 ，空间，空间2K2K。n2K2K地址空间在微处理器的内存空间地址空间在微处理器的内存空间 64K 64K 中被分配在什么中被分配在什么位置，这由高位地址线位置，这由高位地址线A A1111A A1515产生的该芯片的片选信产生的该芯片的片选信号号CSCS来决定。来决定。n当存储器芯片多于一片时，为了避免误操作，必须利当存储器芯片多于一片时，为了避免误操作，必须利用片选信号来分别确定各芯片的地址分配。产生片选用片选信号来分别确定各芯片的地址分配。产生片选信号的方式不同，存储器的地址分配也就不同。片选信号的方式不同，存储器的地址分配也就不同。片选方式有线选和译码二种方式有线选和译码二种 第二十四页，讲稿共四十六页哦一、线选方式：一、线选方式：把一根高位地址把一根高位地址线直接连到存储器芯片的片选端线直接连到存储器芯片的片选端 第二十五页，讲稿共四十六页哦三个芯片的地址分配三个芯片的地址分配 第二十六页，讲稿共四十六页哦线选方式的特点：线选方式的特点：n优点：电路连接简单优点：电路连接简单n缺点：地址空间不连续（不能充分利用内存缺点：地址空间不连续（不能充分利用内存空间）空间）、地址重叠、地址重叠。n不能充分利用内存空间的原因是：用作片选不能充分利用内存空间的原因是：用作片选信号的高位地址线的信号状态得不到充分利信号的高位地址线的信号状态得不到充分利用用 n“地址重叠地址重叠”：指一个存储单元占有多个地：指一个存储单元占有多个地址空间，即不同的地址会选通同一存储单元址空间，即不同的地址会选通同一存储单元。第二十七页，讲稿共四十六页哦二、译码方式：二、译码方式：n可克服线选方式的缺点，通过译码器可克服线选方式的缺点，通过译码器将高位地址线译码后输出来选通存储将高位地址线译码后输出来选通存储器芯片器芯片n常用的译码器有常用的译码器有74LS13874LS138（3/83/8译码器）译码器）74LS13974LS139（双（双2/42/4译码器）译码器）74LS15474LS154（4/164/16译码器）等译码器）等 第二十八页，讲稿共四十六页哦74LS138引脚图引脚图 第二十九页，讲稿共四十六页哦 74LS138真值表真值表 第三十页，讲稿共四十六页哦用译码方式实现片选用译码方式实现片选 第三十一页，讲稿共四十六页哦根据译码器的逻辑关系和存储器的片内寻址根据译码器的逻辑关系和存储器的片内寻址范围，三个芯片的地址空间如下范围，三个芯片的地址空间如下 第三十二页，讲稿共四十六页哦译码方式的特点：译码方式的特点：n优点：地址空间连续，且唯一确定，不存在优点：地址空间连续，且唯一确定，不存在地址重叠现象；能够充分利用内存空间；当地址重叠现象；能够充分利用内存空间；当译码器输出端留有空余时，便于继续扩展存译码器输出端留有空余时，便于继续扩展存储器或其它外围器件。储器或其它外围器件。n缺点缺点:电路连接复杂一些。电路连接复杂一些。第三十三页，讲稿共四十六页哦第四节：外部存储器的扩展方法第四节：外部存储器的扩展方法 外部存储器的扩展方法，也就是外部存储器的扩展方法，也就是存储器系统的设计存储器系统的设计 一、程序存储器的扩展一、程序存储器的扩展二、数据存储器的扩展二、数据存储器的扩展第三十四页，讲稿共四十六页哦一、程序存储器的扩展一、程序存储器的扩展(一）一）外部程序存储器的操作时序外部程序存储器的操作时序 第三十五页，讲稿共四十六页哦（二）扩展外部程序存储器电路的连接逻辑电路（二）扩展外部程序存储器电路的连接逻辑电路 第三十六页，讲稿共四十六页哦扩展一片扩展一片EPROM程序存储器程序存储器 第三十七页，讲稿共四十六页哦 线选方式线选方式扩展多片扩展多片EPROM EPROM 第三十八页，讲稿共四十六页哦译码方式译码方式扩展多片扩展多片EPROM 第三十九页，讲稿共四十六页哦nEPROM#01 C000HDFFFHnEPROM#02 A000HBFFFH nEPROM#03 6000H7FFFH nEPROM#1 0000H1FFFHnEPROM#2 2000H3FFFHnEPROM#3 4000H5FFFH线选线选方式方式译码译码方式方式采用译码方式扩展2764，最多可以扩展8片2764 两种方式的地址范围两种方式的地址范围第四十页，讲稿共四十六页哦二、数据存储器的扩展二、数据存储器的扩展(一）一）读读/写时序写时序 第四十一页，讲稿共四十六页哦（二）扩展数据存储器电路的连接逻辑（二）扩展数据存储器电路的连接逻辑 第四十二页，讲稿共四十六页哦（三）数据存储器的扩展实例（三）数据存储器的扩展实例1 1、扩展一片、扩展一片SRAM SRAM 第四十三页，讲稿共四十六页哦2 2、扩展多片、扩展多片SRAM 第四十四页，讲稿共四十六页哦n用译码方式产生片选信号。一片用译码方式产生片选信号。一片6264和一片和一片2764共用一个片选信号，因此其地址空间是重叠的。共用一个片选信号，因此其地址空间是重叠的。n2764（1）和）和6264（1）的地址均为）的地址均为0000H1FFFH，n2764（2）和）和6264（2）的地址均为）的地址均为2000H3FFFH。n由于访问片外由于访问片外ROM与访问片外与访问片外RAM所用的控制线所用的控制线不同，且不同，且PSENPSEN与与RDRD、WRWR不会同时有效，所以虽然地不会同时有效，所以虽然地址总线与数据总线公用，但不会引起混乱。址总线与数据总线公用，但不会引起混乱。第四十五页，讲稿共四十六页哦（四）数据存储器和程序存储器的空间合用（四）数据存储器和程序存储器的空间合用 n单片机中的数据存储器和程序存储器的空间是严格区单片机中的数据存储器和程序存储器的空间是严格区分的，两者操作所用的控制信号不同。分的，两者操作所用的控制信号不同。n在某些情况下，如调试程序时，希望将程序放在外部在某些情况下，如调试程序时，希望将程序放在外部RAM中，既能够方便地修改，又要能够运行，也就是中，既能够方便地修改，又要能够运行，也就是要求数据存储器同时具有程序存储器的功能。要实现要求数据存储器同时具有程序存储器的功能。要实现这一点，要在电路上作一点改动，可将这一点，要在电路上作一点改动，可将8031的的PSEN和和RD经过一个经过一个“与与”门后，再接到数据存储器的门后，再接到数据存储器的OEOE端。端。第四十六页，讲稿共四十六页哦