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第8章 存储器的扩展现在学习的是第1页，共56页8.1 系统扩展概述 v 8.1.1 最小应用系统最小应用系统 单单片片机机系系统统的的扩扩展展是是以以基基本本的的最最小小系系统统为为基基础础的的,故故应应首首先先熟熟悉悉最最小小应应用用系系统统的的结结构构。实实际际上上,内内部部带带有有程程序序存存储储器器的的8051或或8751单单片片机机本本身身就就是是一一个个最最简简单单的的最最小小应应用用系系统统,许许多多实实际际应应用用系系统统就就是是用用这这种种成成本本低低和和体体积积小小的的单单片片结结构构实实现现了了高高性性能能的的控控制制。对对于于目目前前国国内内较较多多采采用用的的内内部部无无程程序序存存储储器器的的芯芯片片8031来来说说,则则要要用外接程序存储器的方法才能构成一个最小应用系统。用外接程序存储器的方法才能构成一个最小应用系统。现在学习的是第2页，共56页1.片内带程序存储器的最小应用系统片内带程序存储器的最小应用系统 片片内内带带程程序序存存储储器器的的8051、8751本本身身即即可可构构成成一一片片最最小小系系统统,只只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,同时同时 接接高高电电平平,ALE、信信号号不不用用,系系统统就就可可以以工工作作。如图如图41(a)所示该系统的特点如下所示该系统的特点如下:(1)系系统统有有大大量量的的I/O线线可可供供用用户户使使用用:P0、P1、P2、P3四四个个口口都都可以作为可以作为I/O口使用。口使用。(2)内内部部存存储储器器的的容容量量有有限限,只只有有128 B的的RAM和和4 KB的的程程序序存存储器。储器。现在学习的是第3页，共56页 2.片内无程序存储器的最小应用系统片内无程序存储器的最小应用系统 片片内内无无程程序序存存储储器器的的芯芯片片构构成成最最小小应应用用系系统统时时,必必须须在在片片外外扩扩展展程程序序存存储储器器。由由于于一一般般用用作作程程序序存存储储器器的的EPROM芯芯片片不不能能锁锁存存地地址址,故故扩扩展展时时还还应应加加1个个锁锁存存器器,构构成成一一个个3片片最最小小系系统统,如如图图81(b)所所示示。该该图图中中74LS373为地址锁存器为地址锁存器,用于锁存低用于锁存低8位地址。位地址。现在学习的是第4页，共56页 图81 MCS51系列最小化系统 现在学习的是第5页，共56页 8.1.2 系统扩展的内容与方法系统扩展的内容与方法 1.单片机的三总线结构单片机的三总线结构 当当单单片片机机最最小小系系统统不不能能满满足足系系统统功功能能的的要要求求时时,就就需需要要进进行行扩扩展展。为为了了使使单单片片机机能能方方便便地地与与各各种种扩扩展展芯芯片片连连接接,常常将将单单片片机机的的外外部部连连线线变变为为一一般般的的微微型型计计算算机机3总总线线结结构构形形式式。对对于于MCS-51系列单片机系列单片机,其其3总线由下列通道口的引线组成总线由下列通道口的引线组成:地地址址总总线线:由由P2口口提提供供高高8位位地地址址线线,此此口口具具有有输输出出锁锁存存的的功功能能,能保留地址信息。能保留地址信息。由由P0口提供低口提供低8位地址线。位地址线。数数据据总总线线:由由P0口口提提供供。此此口口是是双双向向、输输入入三三态态控控制制的的8位位通通道口。道口。现在学习的是第6页，共56页 控制总线控制总线:扩展系统时常用的控制信号为扩展系统时常用的控制信号为:ALE地址锁存信号地址锁存信号,用以实现对低用以实现对低8位地址的锁存。位地址的锁存。片外程序存储器取指信号。片外程序存储器取指信号。片外数据存储器读信号。片外数据存储器读信号。片外数据存储器写信号。片外数据存储器写信号。图图82为为单单片片机机扩扩展展成成3总总线线结结构构的的示示意意图图。这这样样一一来来,扩扩展展芯芯片片与与主主机机的的连连接接方方法法同同一一般般3总总线线结结构构的的微微型型计计算算机机就就完完全全一一样样了了。对对于于MCS-51系系列列单单片片机机而而言言,Intel 公公司司专专门门为为它它们们配配套套生生产产了了一一些专用外围芯片些专用外围芯片,使用起来就更加方便。使用起来就更加方便。现在学习的是第7页，共56页图82 单片机的3总线结构形式 现在学习的是第8页，共56页8.2 常用的扩展器件简介 v 在在MCS51单单片片机机系系统统的的扩扩展展中中常常用用的的扩扩展展器器件件如如表表81所所示示。现现将将另另外外几种常用器件简介如下。几种常用器件简介如下。现在学习的是第9页，共56页表81 MCS51单片机常用的扩展器件 现在学习的是第10页，共56页8.2.1 8D锁存器锁存器74LS373 74LS373是是一一种种带带输输出出三三态态门门的的8D锁锁存存器器，其其结结构构示示意意图图如图如图83所示。所示。其中：其中：v 1D8D为为8个输入端。个输入端。v 1Q8Q为为8个输出端。个输出端。v G为为数数据据打打入入端端：当当G为为“1”时时，锁锁存存器器输输出出状状态态(1Q8Q)同同输入状态输入状态(1D8D)；当当G由由“1”变变“0”时，时，数据打入锁存器中。数据打入锁存器中。现在学习的是第11页，共56页图83 74LS373的结构示意图 现在学习的是第12页，共56页图84 74LS373用作地址锁存器 现在学习的是第13页，共56页 8.2.2 38译码器译码器74LS138 38译译码码器器74LS138为为一一种种常常用用的的地地址址译译码码器器芯芯片片，其其管管脚图如图脚图如图87所示。所示。其中，其中，G1、,个个控控制制端端，只只有有当当G1为为“”且且 ,均均为为“0”时时，译译码码器器才才能能进进行行译译码码输输出出。否否则则译译码码器器的的8个个输输出出端端全全为为高阻状态。高阻状态。译码输入端与输出端之间的译码关系如表译码输入端与输出端之间的译码关系如表42所示。所示。具具体体使使用用时时，G1、与与 既既可可直直接接接接至至+5 V端端或或地地，也也可可参参与与地地址址译译码码。但但其其译译码码关关系系必必须须为为100。需需要要时时也也可可通过反相器使输入信号符合要求。通过反相器使输入信号符合要求。现在学习的是第14页，共56页图87 74LS138管脚图 现在学习的是第15页，共56页表82 74LS138的译码关系 现在学习的是第16页，共56页8.3 存储器的扩展 8.3.1 存储器扩展概述存储器扩展概述 MCS-51系系列列单单片片机机具具有有64 KB的的程程序序存存储储器器空空间间，其其中中8051、8751型型单单片片机机含含有有4 KB 的的片片内内程程序序存存储储器器,而而8031型型单单片片机机则则无无片片内内程程序序存存储储器器。当当采采用用8051、8751型型单单片片机机而而程程序序超超过过4 KB,或或采采用用8031型型单单片片机机时时,就就需需要要进行程序存储器的扩展。进行程序存储器的扩展。现在学习的是第17页，共56页v MCS-51系系列列单单片片机机的的数数据据存存储储器器与与程程序序存存储储器器的的地地址址空空间间是是互互相相独独立立的的,其其片片外外数数据据存存储储器器的的空空间间可可达达64 KB,而而片片内内的的数数据据存存储储器器空空间间只只有有128 B。如如果果片片内内的的数数据据存存储储器器不够用时不够用时,则需进行数据存储器的扩展。则需进行数据存储器的扩展。v存存储储器器扩扩展展的的核核心心问问题题是是存存储储器器的的编编址址问问题题。所所谓谓编编址址就就是是给给存存储储单单元元分分配配地地址址。由由于于存存储储器器通通常常由由多多片片芯芯片片组组成成,为为此此存存储储器器的的编编址址分分为为两两个个层层次次:即即存存储储器器芯芯片片的的选选择择和和存储器芯片内部存储单元的选择。存储器芯片内部存储单元的选择。现在学习的是第18页，共56页v存储器芯片的选择有两种方法存储器芯片的选择有两种方法:线选法和译码法。线选法和译码法。1.线选法线选法 所所谓谓线线选选法法,就就是是直直接接以以系系统统的的地地址址线线作作为为存存储储器器芯芯片片的的片片选选信信号号,为为此此只只需需把把用用到到的的地地址址线线与与存存储储器器芯芯片片的的片片选选端端直直接接相相连即可。连即可。2.译码法译码法 所所谓谓译译码码法法就就是是使使用用地地址址译译码码器器对对系系统统的的片片外外地地址址进进行行译译码码,以其译码输出作为存储器芯片的片选信号。以其译码输出作为存储器芯片的片选信号。现在学习的是第19页，共56页译码法又分为完全译码和部分译码两种。译码法又分为完全译码和部分译码两种。(1)完全译码。完全译码。地地址址译译码码器器使使用用了了全全部部地地址址线线，地地址址与与存存储储单单元元一一一一对对应应，也也就是就是1个存储单元只占用个存储单元只占用1个唯一的地址。个唯一的地址。(2)部分译码。部分译码。地地址址译译码码器器仅仅使使用用了了部部分分地地址址线线，地地址址与与存存储储单单元元不不是是一一一一对对应应，而而是是1个个存存储储单单元元占占用用了了几几个个地地址址。1根根地地址址线线不不接接，一一个个单单元元占占用用2(21)个个地地址址；2根根地地址址线线不不接接，一一个个单单元元占占用用4(22)个个地地址址；3根根地地址址线不接，线不接，则占用则占用8(23)个地址，个地址，依此类推。依此类推。现在学习的是第20页，共56页 3扩展存储器所需芯片数目的确定扩展存储器所需芯片数目的确定 若所选存储器芯片字长与单片机字长一致，则只需扩展容量。所需若所选存储器芯片字长与单片机字长一致，则只需扩展容量。所需芯片数目按下式确定：芯片数目按下式确定：若所选存储器芯片字长与单片机字长不一致，则不仅需扩展容量，还需若所选存储器芯片字长与单片机字长不一致，则不仅需扩展容量，还需字扩展。所需芯片数目按下式确定：字扩展。所需芯片数目按下式确定：现在学习的是第21页，共56页 8.3.2 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 1.只读存储器简介只读存储器简介 半半导导体体存存储储器器分分为为随随机机存存取取存存储储器器(Random Access Memory)和和只只读读存存储储器器(Read Only Memory)两两大大类类,前前者者主主要要用用于于存存放放数数据据,后者主要用于存放程序。后者主要用于存放程序。只只读读存存储储器器是是由由MOS管管阵阵列列构构成成的的,以以MOS管管的的接接通通或或断断开开来来存存储储二二进进制制信信息息。按按照照程程序序要要求求确确定定ROM存存储储阵阵列列中中各各MOS管管状状态态的的过程叫做过程叫做ROM编程。编程。根据编程方式的不同根据编程方式的不同,ROM可分为以下可分为以下3种种:现在学习的是第22页，共56页1)掩膜掩膜ROM 掩膜掩膜ROM简称为简称为ROM,其编程是由半导体制造厂家完成的其编程是由半导体制造厂家完成的,即在生产过程中进行编程。即在生产过程中进行编程。2)可编程可编程ROM(PROM)PROM芯芯片片出出厂厂时时并并没没有有任任何何程程序序信信息息,其其程程序序是是由由用用户户写写入入的的,与掩膜与掩膜ROM相比相比,有了一定的灵活性有了一定的灵活性,批量也不一定很大。批量也不一定很大。3)可擦除可擦除ROM(EPROM或或EEPROM)可可擦擦除除ROM芯芯片片的的内内容容由由用用户户写写入入,并并允允许许反反复复擦擦除除重重新新写写入。入。现在学习的是第23页，共56页 EEPROM芯芯片片每每个个字字节节可可改改写写万万次次以以上上,信信息息的的保保存存期期大大于于10年年。这这种种芯芯片片给给计计算算机机应应用用系系统统带带来来很很大大的的方方便便,不不仅仅可可以以修修改改参参数数,而而且且断断电电后后能能保保存存数数据据。它它的的缺缺点点是是价价格格偏高。偏高。2.EPROM2764简介简介 1)2764的引脚的引脚 自自从从EPROM2716芯芯片片被被逐逐渐渐淘淘汰汰后后,目目前前比比较较广广泛泛采采用用的的是是2764芯芯片片。该该芯芯片片为为双双列列直直插插式式28引引脚脚的的标标准准芯芯片片,容容量为量为8K8位位,其管脚如图其管脚如图88所示。所示。现在学习的是第24页，共56页图88 EPROM2764引脚图 现在学习的是第25页，共56页其中其中:A12A0:13位地址线。位地址线。D7D0:8位数据线。位数据线。:片选信号片选信号,低电平有效。低电平有效。:输出允许信号输出允许信号,当当 =0 时时,输出缓冲器打开输出缓冲器打开,被寻址单元的内容才能被读出。被寻址单元的内容才能被读出。VPP:编编程程电电源源,当当芯芯片片编编程程时时,该该端端加加上上编编程程电电压压(+25 V或或+12 V);正常使用时正常使用时,该端加该端加+5 V电源。电源。(NC为不用的管脚为不用的管脚)。现在学习的是第26页，共56页v 这这里里应应注注意意的的是是，对对于于不不同同型型号号、不不同同厂厂家家生生产产的的EPROM芯芯片片，其其编编程程电电压压Vpp是是不不一一样样的的，有有+12 V,+18 V,+21 V,+24 V等等数数种种。编编程程时时一一定定要要根根据据芯芯片片所所要要求求的的电电压来编程。压来编程。若不注意，若不注意，极易烧坏芯片。极易烧坏芯片。现在学习的是第27页，共56页2)2764的工作时序的工作时序 2764在在使使用用时时，只只能能将将其其所所存存储储的的内内容容读读出出，其其过过程程与与RAM的的读读出出十十分分类类似似。即即首首先先送送出出要要读读出出的的单单元元地地址址，然然后后使使 和和 均均有有效效(低低电电平平)，则则在在芯芯片片的的D0D7数数据据线线上上就就可可以以输输出出要要读读出出的的内内容容。其过程的时序关系如图其过程的时序关系如图89所示。所示。现在学习的是第28页，共56页图89 EPROM2764的读出时序 现在学习的是第29页，共56页3.程序存储器扩展举例程序存储器扩展举例 现分现分3种情况说明程序存储器的扩展方法。种情况说明程序存储器的扩展方法。(1)不用片外译码的单片程序存储器的扩展。不用片外译码的单片程序存储器的扩展。例例1:试用试用EPROM2764构成构成8031的最小系统。的最小系统。解解:由由于于8031无无片片内内程程序序存存储储器器,因因此此必必须须外外接接程程序序存存储储器器以以构构成成最最小小系系统统。其其连连接接方方法法是是在在图图42的的基基础础上上,将将2764按按3总总线线的的要要求求连连接接,其其连连接接的的关关键键在在于于地地址址译译码码。由由于于一一般般所所采采用用的的芯芯片片其其字字节节数数均均超超过过256个个单单元元,也也就就是是说说片片内内地地址址线线超超过过8条条,故故地地址址译译码码的的核核心心问问题是高题是高8位地址线的连接。位地址线的连接。现在学习的是第30页，共56页 2764是是8K8位程序存储器，芯片的地址引脚线有位程序存储器，芯片的地址引脚线有13条，顺次和条，顺次和单片机的地址线单片机的地址线A0A12相接。由于不采用地址译码器，所以高相接。由于不采用地址译码器，所以高3位位地址线地址线A13、A14、A15不接，故有不接，故有23=8个重叠的个重叠的8 KB地址空间。因地址空间。因只用一片只用一片2764，其片选信号，其片选信号CE可直接接地可直接接地(常有效常有效)。其连接电路。其连接电路如图如图 4.11所示。所示。现在学习的是第31页，共56页图4.11 2764与8031的扩展连接图 现在学习的是第32页，共56页图4.11所示连接电路的8个重叠的地址范围为00000000000000000001111111111111，即0000H1FFFH；00100000000000000011111111111111，即2000H3FFFH；01000000000000000101111111111111，即4000H5FFFH；01100000000000000111111111111111，即6000H7FFFH；10000000000000001001111111111111，即8000H9FFFH；10100000000000001011111111111111，即A000HBFFFH；11000000000000001101111111111111，即C000HDFFFH；11100000000000001111111111111111，即E000HFFFFH。现在学习的是第33页，共56页图812 2764与8031的连接图 现在学习的是第34页，共56页 (2)采用线选法的多片程序存储器的扩展。采用线选法的多片程序存储器的扩展。例例2:在在图图413所所示示的的连连接接图图中中,使使用用了了两两片片2764,一一共共构构成成了了8 K2=16 K的的有有效效地地址址。现现采采用用线线选选法法编编址址,以以P2.7(A15)直直接接作作为为片片选选信信号号,当当P2.7=0 时时,选选中中左左边边1片片2764,其其地地址址范范围围为为0000H1FFFH;当当P2.7=1 时时,选选中中右右边边1片片 2764,其其地地址址范范围围为为8000H9FFFH。这这是是部部分分译译码码,有有2根根地地址址线线未未接接,1个个单单元元要要占占用用22=4个个地地址址号号。以以上上只只是是4组组地地址址中中的的1组组。若若需需地地址址连连续续的的话话,可取如下可取如下1组地址组地址:6000H 7FFFH 和和8000H9FFFH。现在学习的是第35页，共56页图813 两片程序存储器扩展连接图 现在学习的是第36页，共56页(3)采用地址译码器的多片程序存储器的扩展。采用地址译码器的多片程序存储器的扩展。例例3:要要求求用用2764芯芯片片扩扩展展 8031 的的片片外外程程序序存存储储器器空空间间,分分配配的的地址范围为地址范围为 0000H3FFFH。解解：本本例例采采用用完完全全译译码码的的方方法法,即即所所有有地地址址线线全全部部连连接接,每每个个单单元只占用唯一的元只占用唯一的1个地址。个地址。v 确定片数确定片数v 分配地址范围分配地址范围现在学习的是第37页，共56页v 画出地址译码关系图画出地址译码关系图:上面打上面打部分为片内译码部分为片内译码,对于对于2764来说有来说有13位位,其地址变其地址变化范围为从全化范围为从全0变到全变到全1,其余部分为片外译码。其余部分为片外译码。现在学习的是第38页，共56页 设计外译码电路设计外译码电路:本本例例只只介介绍绍采采用用译译码码器器芯芯片片的的设设计计方方法法,现现采采用用3-8译译码码器器74LS138。片片外外译译码码只只有有3根根线线(P2.7,P2.6,P2.5)，分分别别接接至至译译码码器器的的C、B、A输输入入端端。控控制制端端G1,不不参参与与译译码码，接接成成常常有有效效。如如图图814所示。所示。现在学习的是第39页，共56页图814 74LS138译码器连接图 现在学习的是第40页，共56页 画出存储器扩展连接图画出存储器扩展连接图:该该连连接接图图如如图图815所所示示。图图中中3-8译译码码器器74LS138只只用用了了两两个个译译码码输输出出端端,如如果果需需要要的的话话,还可利用其余还可利用其余6个译码输出端。个译码输出端。现在学习的是第41页，共56页图815 采用地址译码器扩展程序存储器的连接图 现在学习的是第42页，共56页图4.13 全译码、两片2764 EPROM的扩展连接图 现在学习的是第43页，共56页 例4：图414中38译码器74LS138的译码输出端 和 所对应的地址范围各为多少?解：对 于 来 说，其 地 址 变 化 范 围 为10000000000000001001111111111111,即8000H9FFFH。对 于 来 说，其 地 址 变 化 范 围 为10100000000000001011111111111111,即A000HBFFFH。现在学习的是第44页，共56页8.3.3 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 1.数据存储器概述数据存储器概述 数数据据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),简简称称RAM,用用于于存存放放可可随随时时修修改改的的数数据据信信息息。它它与与ROM不不同同,对对RAM可可以以进进行行读读、写写两两种种操操作作。RAM为为易易失失性性存存储储器器,断断电电后后所存信息立即消失。所存信息立即消失。按按其其工工作作方方式式,RAM又又分分为为静静态态(SRAM)和和动动态态(DRAM)两两种种。静静态态RAM只只要要电电源源加加上上,所所存存信信息息就就能能可可靠保存。靠保存。现在学习的是第45页，共56页2.静态静态RAM6264简介简介 6264是是8 K8位位的的静静态态数数据据存存储储器器芯芯片片,采采用用CMOS工工艺艺制制造造,为为28 引引脚脚双双列列直直插插式式封封装装,其其引引脚脚图如图图如图816所示。所示。现在学习的是第46页，共56页 图816 RAM 6264引脚图 现在学习的是第47页，共56页 1数据存储器芯片数据存储器芯片图8.14 常用静态RAM芯片的引脚图现在学习的是第48页，共56页图8.15 iRAM芯片的引脚图 现在学习的是第49页，共56页3.数据存储器扩展举例数据存储器扩展举例 数数据据存存储储器器的的扩扩展展与与程程序序存存储储器器的的扩扩展展相相类类似似,不不同同之之处处主主要要在在于于控控制制信信号号的的接接法法不不一一样样,不不用用 信信号号,而而用用 和和 信号信号,且直接与数据存储器的且直接与数据存储器的 v 端和端和 端相连即可。端相连即可。v 图图817为为外外扩扩1片片6264的的连连接接图图。采采用用线线选选法法，将将片片选选信信号号 与与P2.7相相连连，片片选选信信号号CE2与与P2.6相相连连。其地址译码关系为：其地址译码关系为：0 1 X X X X X X X X X X X X X XA15A14A13A12A11A10 A0 所占用的地址为：第1组 4000H5FFFH(A13=0)第2组 6000H7FFFH(A13=1)现在学习的是第50页，共56页现在学习的是第51页，共56页2数据存储器的扩展举例数据存储器的扩展举例例例4 采用2114芯片在8031片外扩展1 KB数据存储器。图8.16 用两片2114 EPROM的扩展连接图 现在学习的是第52页，共56页兼有片外程序存储器和片外数据存储器的扩展举例兼有片外程序存储器和片外数据存储器的扩展举例 例例5 采用采用2764和和6264芯片在芯片在8031片外分别扩展片外分别扩展24 KB程序存储程序存储器和数据存储器。器和数据存储器。扩展连接电路如图扩展连接电路如图8.17所示。从图中可以看出，各有一片所示。从图中可以看出，各有一片2764和和一片一片6264的片选端并接在一根译码输出线上。即有的片选端并接在一根译码输出线上。即有2764和和6264芯片相芯片相同的地址单元将会同时选通，这不会发生地址冲突，因为两种芯片的同的地址单元将会同时选通，这不会发生地址冲突，因为两种芯片的控制信号是不一样的。请读者自己分析两种存储器及各芯片的地址范控制信号是不一样的。请读者自己分析两种存储器及各芯片的地址范围。围。现在学习的是第53页，共56页图8.17 兼有片外ROM，又有片外RAM的扩展连接图 现在学习的是第54页，共56页8.3.4 全地址范围的存储器最大扩展系统全地址范围的存储器最大扩展系统 现现以以8031为为例例，说说明明全全地地址址范范围围的的存存储储器器最最大大扩扩展展系系统统的的构构成成方方法法，如如图图418所所示示。8031的的片片外外程程序序存存储储器器和和数数据据存存储储器器的的地地址址各各为为64 K。若若采采用用EPROM2764和和RAM6264芯芯片片，则则各各需需8片片才才能能构构成成全全部部有有效效地地址址。芯芯片片的的选选择择采采用用38译译码码器器74LS138，片片外外地地址址线线只只有有3根根(A15、A14、A13)，分分别别接接至至74LS138的的C、B、A端端，其其8路路译译码码输输出出分分别别接接至至8个个2764和和8个个6264的的片片选选端端 。现在学习的是第55页，共56页图818 单片机外存储器最大扩展电路 现在学习的是第56页，共56页