单片机存储器和并口扩展剖析.ppt
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1、第五章 存储器和并口扩展 引言 片内的资源如不满足需要,需外扩存储器和I/O功能部件:系统扩展问题,内容主要有:(1)外部存储器的扩展 (外部存储器又分为外部程序存储器和外部数据存储器)(2)I/O接口部件的扩展图5.1 单片机最小系统图5.2 设备扩展示意图按其功能通常把系统总线分为三组:1.地址总线(Adress Bus,简写AB):A0-A15 2.数据总线(Data Bus,简写DB):D0-D7 3.控制总线(Control Bus,简写CB)/PSEN 访问代码空间 /WR/RD 访问数据空间 MCS-51数据存储器和程序存储器的最大扩展空间各为64KB系统扩展结构如下图系统扩展结
2、构如下图:图5.3 三总线示意图1.某一时刻,只允许有一个发言者,但可某一时刻,只允许有一个发言者,但可某一时刻,只允许有一个发言者,但可某一时刻,只允许有一个发言者,但可以有多个听众。以有多个听众。以有多个听众。以有多个听众。2.总线没有记忆能力,信息只能在有限的总线没有记忆能力,信息只能在有限的总线没有记忆能力,信息只能在有限的总线没有记忆能力,信息只能在有限的时间内停留。时间内停留。时间内停留。时间内停留。3.听众的多少取决于总线的驱动能力听众的多少取决于总线的驱动能力听众的多少取决于总线的驱动能力听众的多少取决于总线的驱动能力。单片机工作特点单片机工作特点在计算机系统中,数据发送方可称
3、为发言者,数据接收方可称为听众。某些单元永远是听众,而某些单元有时是听众,有时是发言者。总线是由导线构成的,在总线上的信息是由数据总线是由导线构成的,在总线上的信息是由数据总线是由导线构成的,在总线上的信息是由数据总线是由导线构成的,在总线上的信息是由数据输出方输出的逻辑电平,导线的性质决定了在总线输出方输出的逻辑电平,导线的性质决定了在总线输出方输出的逻辑电平,导线的性质决定了在总线输出方输出的逻辑电平,导线的性质决定了在总线上各点的逻辑电平是一致的;上各点的逻辑电平是一致的;上各点的逻辑电平是一致的;上各点的逻辑电平是一致的;如果同一时刻有多个设备试图向总线输出信号,如果同一时刻有多个设备
4、试图向总线输出信号,如果同一时刻有多个设备试图向总线输出信号,如果同一时刻有多个设备试图向总线输出信号,势必会造成总线逻辑电平的混乱,影响信号的正确势必会造成总线逻辑电平的混乱,影响信号的正确势必会造成总线逻辑电平的混乱,影响信号的正确势必会造成总线逻辑电平的混乱,影响信号的正确传输;传输;传输;传输;同一时刻所有连接在总线上的数据接收设备都会同一时刻所有连接在总线上的数据接收设备都会同一时刻所有连接在总线上的数据接收设备都会同一时刻所有连接在总线上的数据接收设备都会根据总线逻辑电平得到相同的信号输入;根据总线逻辑电平得到相同的信号输入;根据总线逻辑电平得到相同的信号输入;根据总线逻辑电平得到
5、相同的信号输入;1、某一时刻,只允许有一个发言者,但、某一时刻,只允许有一个发言者,但可以有多个听众可以有多个听众 总线由导线构成,它永远保持当前输出设备总线由导线构成,它永远保持当前输出设备总线由导线构成,它永远保持当前输出设备总线由导线构成,它永远保持当前输出设备正在输出的逻辑电平,而无法记录当前时刻之前正在输出的逻辑电平,而无法记录当前时刻之前正在输出的逻辑电平,而无法记录当前时刻之前正在输出的逻辑电平,而无法记录当前时刻之前的任何逻辑电平信息;的任何逻辑电平信息;的任何逻辑电平信息;的任何逻辑电平信息;信息在总线上停留的时间,取决于当前输出信息在总线上停留的时间,取决于当前输出信息在总
6、线上停留的时间,取决于当前输出信息在总线上停留的时间,取决于当前输出设备输出信息的持续时间,这一时间一般来说都设备输出信息的持续时间,这一时间一般来说都设备输出信息的持续时间,这一时间一般来说都设备输出信息的持续时间,这一时间一般来说都是很短的;是很短的;是很短的;是很短的;2、总线没有记忆能力,信息只能、总线没有记忆能力,信息只能在有限的时间内停留在有限的时间内停留 当总线保持逻辑高电平或逻辑低电平时,当总线保持逻辑高电平或逻辑低电平时,当总线保持逻辑高电平或逻辑低电平时,当总线保持逻辑高电平或逻辑低电平时,所有连接到总线上的信息接收设备都会消耗功所有连接到总线上的信息接收设备都会消耗功所有
7、连接到总线上的信息接收设备都会消耗功所有连接到总线上的信息接收设备都会消耗功率,总线电平的提供者必须要有足够的驱动能率,总线电平的提供者必须要有足够的驱动能率,总线电平的提供者必须要有足够的驱动能率,总线电平的提供者必须要有足够的驱动能力来满足这些功率的消耗;力来满足这些功率的消耗;力来满足这些功率的消耗;力来满足这些功率的消耗;一个总线上能够连接多少接收设备,取决于一个总线上能够连接多少接收设备,取决于一个总线上能够连接多少接收设备,取决于一个总线上能够连接多少接收设备,取决于该总线保持逻辑电平的能力,即总线的驱动能该总线保持逻辑电平的能力,即总线的驱动能该总线保持逻辑电平的能力,即总线的驱
8、动能该总线保持逻辑电平的能力,即总线的驱动能力;力;力;力;3、听众的多少取决于总线的驱动能力、听众的多少取决于总线的驱动能力 1、听众必须具有记忆能力,即具有锁存功能;、听众必须具有记忆能力,即具有锁存功能;计算机总线的工作原理要求计算机总线的工作原理要求由于总线没有记忆能力,而且信号维由于总线没有记忆能力,而且信号维由于总线没有记忆能力,而且信号维由于总线没有记忆能力,而且信号维持时间很短,对于需要总线信号维持持时间很短,对于需要总线信号维持持时间很短,对于需要总线信号维持持时间很短,对于需要总线信号维持时间较长的设备,必须要自行添加锁时间较长的设备,必须要自行添加锁时间较长的设备,必须要
9、自行添加锁时间较长的设备,必须要自行添加锁存器,使得信号能够在脱离总线的情存器,使得信号能够在脱离总线的情存器,使得信号能够在脱离总线的情存器,使得信号能够在脱离总线的情况下被单独的保存;况下被单独的保存;况下被单独的保存;况下被单独的保存;最常用的锁存器就是最常用的锁存器就是最常用的锁存器就是最常用的锁存器就是D D触发器;触发器;触发器;触发器;总线上某一时刻只允许有一个发言者,否则总线上某一时刻只允许有一个发言者,否则会造成逻辑混乱;会造成逻辑混乱;2、发言者必须首先获得发言权;、发言者必须首先获得发言权;总线上往往又存总线上往往又存总线上往往又存总线上往往又存在很在很在很在很 多设备,
10、其中信多设备,其中信多设备,其中信多设备,其中信息发送设备也不止一个;息发送设备也不止一个;息发送设备也不止一个;息发送设备也不止一个;此时就必须要在此时就必须要在此时就必须要在此时就必须要在每个信息发送设备与总每个信息发送设备与总每个信息发送设备与总每个信息发送设备与总线之间添加三态门作为线之间添加三态门作为线之间添加三态门作为线之间添加三态门作为输入缓冲,利用三态门输入缓冲,利用三态门输入缓冲,利用三态门输入缓冲,利用三态门的开启使某个设备获得的开启使某个设备获得的开启使某个设备获得的开启使某个设备获得发言权。发言权。发言权。发言权。计算机中的两个重要概念计算机中的两个重要概念输出锁存:采
11、用锁存器使听众具有记忆能力。输入缓冲:采用三态门,将发言者接入总线。小结:在计算机系统中输出锁存和输入缓冲有何作用?MCS-51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,需要为了将它们分离出来,需要外加地址锁外加地址锁存器存器,从而构成与一般,从而构成与一般CPU相类似的片外三相类似的片外三总线,见图总线,见图5-5。MCS-51单片机系统扩展的关键问题图 5.5 地址锁存器一般采用地址锁存器一般采用74LS37374LS373,采用采用74LS37374LS373的地址总线的扩展电路如下图。的地址总线的扩展电路如下图。53 1 1、以、以P0P0口作为低口作为低8
12、8位地址位地址/数据总线。数据总线。2 2、以、以P2P2口的口线作高位地址线。口的口线作高位地址线。3 3、控制信号线。、控制信号线。*使用使用ALEALE信号信号作为低作为低8 8位地址的锁存控制信号。位地址的锁存控制信号。*以以/PSEN/PSEN信号信号作为扩展程序存储器的读选通信号。作为扩展程序存储器的读选通信号。*以以/EA/EA信号信号作为内外程序存储器的选择控制信号。作为内外程序存储器的选择控制信号。*由由/RD/RD和和/WR/WR信信号作为扩展数据存储器和号作为扩展数据存储器和I/OI/O口的口的 读选通、写选通信号。读选通、写选通信号。尽管尽管MCS-51MCS-51有有
13、4 4个并行个并行I/OI/O口,共口,共3232条口线,但条口线,但由于系统扩展需要,由于系统扩展需要,真正作为数据真正作为数据I/OI/O使用的,就使用的,就剩下剩下P1P1口和口和P3P3口的部分口线。口的部分口线。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择半导体存储器的分类如图,按使用功能可分为两大半导体存储器的分类如图,按使用功能可分为两大半导体存储器的分类如图,按使用功能可分为两大半导体存储器的分类如图,按使用功能可分为两大类:类:类:类:随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器(Random Access Memory
14、)(Random Access Memory),简称,简称,简称,简称RAM;RAM;只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器(Read Only Memory)(Read Only Memory),简称,简称,简称,简称ROMROM。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择 ROM用于存放固定程序和常数用于存放固定程序和常数,在使用过程,在使用过程中,中,只能读只能读出存储的信息而出存储的信息而不能随机写入不能随机写入,掉电后存储的信息不会丢失掉电后存储的信息不会丢失。ROM可以分为以下几种:可以分为以下几种:掩膜掩膜ROM(MASK ROM)
15、:):其中的信息是其中的信息是在芯片制造时由厂家写入的,一旦写入就不在芯片制造时由厂家写入的,一旦写入就不能再更改,而只能读出。能再更改,而只能读出。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择可编程可编程可编程可编程ROM ROM(One Time One Time ProgramableProgramable ROM ROM):):):):在出厂时,在出厂时,在出厂时,在出厂时,ROMROM里面未写入信息,用户可以根据需里面未写入信息,用户可以根据需里面未写入信息,用户可以根据需里面未写入信息,用户可以根据需要要要要采用一定设备将程序和数据写入采
16、用一定设备将程序和数据写入采用一定设备将程序和数据写入采用一定设备将程序和数据写入ROMROM中中中中,一且写,一且写,一且写,一且写入就不能再更改,不能满足用户需要修改程序的要入就不能再更改,不能满足用户需要修改程序的要入就不能再更改,不能满足用户需要修改程序的要入就不能再更改,不能满足用户需要修改程序的要求。与求。与求。与求。与ROMROM一样,它适合于大批量使用。一样,它适合于大批量使用。一样,它适合于大批量使用。一样,它适合于大批量使用。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择可擦除可擦除可擦除可擦除PROM(Erasable Progr
17、ammable ROM)PROM(Erasable Programmable ROM)。EPROMEPROM在出厂时是未编程的,用户可以对其进行在出厂时是未编程的,用户可以对其进行在出厂时是未编程的,用户可以对其进行在出厂时是未编程的,用户可以对其进行编程。编程。编程。编程。若若若若EPROMEPROM中写入的信息有错或需修改,则可先用中写入的信息有错或需修改,则可先用中写入的信息有错或需修改,则可先用中写入的信息有错或需修改,则可先用紫外线光对准芯片上的石英窗口照射紫外线光对准芯片上的石英窗口照射紫外线光对准芯片上的石英窗口照射紫外线光对准芯片上的石英窗口照射2020分钟左右,分钟左右,分钟
18、左右,分钟左右,即可擦除原有信息,以恢复出厂时的状态,然后可即可擦除原有信息,以恢复出厂时的状态,然后可即可擦除原有信息,以恢复出厂时的状态,然后可即可擦除原有信息,以恢复出厂时的状态,然后可以再次编程写入。以再次编程写入。以再次编程写入。以再次编程写入。对于编程好的对于编程好的对于编程好的对于编程好的EPROM EPROM,为防止光线照射,常用遮,为防止光线照射,常用遮,为防止光线照射,常用遮,为防止光线照射,常用遮光胶纸贴于窗口上。光胶纸贴于窗口上。光胶纸贴于窗口上。光胶纸贴于窗口上。EPROMEPROM可以多次擦除和再写入,特别适合于研制可以多次擦除和再写入,特别适合于研制可以多次擦除和
19、再写入,特别适合于研制可以多次擦除和再写入,特别适合于研制和开发。和开发。和开发。和开发。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择电可擦除电可擦除ROM(Electrically Erasable Programmable ROM)它是)它是利用电来改写的利用电来改写的可编程只读存储器,能以字节为单位擦除和可编程只读存储器,能以字节为单位擦除和改写。改写。当需要改写某存储单元的信息时,只要让电当需要改写某存储单元的信息时,只要让电流通入该存储单元,就可以将其中的信息擦流通入该存储单元,就可以将其中的信息擦除并重新写入信息,而其余未通入电流的存除并
20、重新写入信息,而其余未通入电流的存储单元的信息仍然保留。储单元的信息仍然保留。这种操作,在用户系统中即可进行,而不需这种操作,在用户系统中即可进行,而不需专用的编程器编程。专用的编程器编程。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择FLASH ROM:属于:属于E2PROM的一种,是一的一种,是一种特殊的、以大区块进行擦除的种特殊的、以大区块进行擦除的ROM。传统传统E2PROM以字节为单位擦除,写入速度以字节为单位擦除,写入速度慢,慢,而而FLASH ROM以多个字节构成的区块以多个字节构成的区块为单位进行一次性擦除,速度快为单位进行一次性擦除,
21、速度快;5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择RAM用于存放运行程序、数据和中间结果用于存放运行程序、数据和中间结果,它是一种在使用过程中通过程序可随机地对它是一种在使用过程中通过程序可随机地对任意的存储单元进行任意的存储单元进行读出或写入信息读出或写入信息的存储的存储器,因此又叫读器,因此又叫读/写存储器。写存储器。这种随机读、写的特点使它成为计算机中最这种随机读、写的特点使它成为计算机中最基本的、也是应用最多的存储器。基本的、也是应用最多的存储器。从制造工艺的角度看,可把从制造工艺的角度看,可把RAM分为双极型分为双极型和和MOS型两种。前
22、者存取速度高,但功耗大,型两种。前者存取速度高,但功耗大,集成度低,故在微型机中几乎都用后者。集成度低,故在微型机中几乎都用后者。MOS型型RAM又可分为三类又可分为三类:5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择动态动态RAM(Dynamic RAM)。它的存储。它的存储单元以电容为基础,电路简单,集成度单元以电容为基础,电路简单,集成度高。高。但是电容中存储的电荷由于漏电会逐渐但是电容中存储的电荷由于漏电会逐渐丢失,即存储的信息会丢失。因此,它丢失,即存储的信息会丢失。因此,它需要定时刷新需要定时刷新,控制较复杂,适合于大,控制较复杂,适合于大
23、存储容量的微型计算机。存储容量的微型计算机。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择静态静态RAM(static RAM)。它的存储电路以双。它的存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳态触发器为基础,状态稳定,可以静态工稳定,可以静态工作,只要不掉电,信息就不会丢失。因此,作,只要不掉电,信息就不会丢失。因此,它它不需要定时刷新不需要定时刷新;存储器的控制信号简单,工作速度快,但是存储器的控制信号简单,工作速度快,但是集成度低,适合于不需大存储容量的微型计集成度低,适合于不需大存储容量的微型计算机。算机。5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储
24、芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择典型存储器芯片典型存储器芯片RAMRAM芯片:芯片:芯片:芯片:61166116:CMOS SRAM 2Kx8BitCMOS SRAM 2Kx8Bit 62646264:CMOS SRAM 8Kx8BitCMOS SRAM 8Kx8Bit 6225662256:CMOS SRAM 32Kx8BitCMOS SRAM 32Kx8BitROMROM芯片:芯片:芯片:芯片:27162716:NMOS EPROM 2Kx8BitNMOS EPROM 2Kx8Bit 27642764:NMOS EPROM 8Kx8BitNMOS EPROM 8Kx8Bit 2
25、725627256:NMOS EPROM 32Kx8BitNMOS EPROM 32Kx8Bit5.1.1 5.1.1 存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器分类、常用存储芯片及其选择存储器指标与选择原则存储器指标与选择原则存储器指标与选择原则存储器指标与选择原则 类型类型类型类型:ROMROM、RAMRAM 根据设计意图选定根据设计意图选定根据设计意图选定根据设计意图选定RAMRAM或或或或ROMROM,ROMROM用于固化程序,对于产品用于固化程序,对于产品用于固化程序,对于产品用于固化程序,对于产品开发宜于选用开发宜于选用开发宜于选用开发宜于选用EPROMEPROM;RAMRAM有有有有
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