第5章 单片机存储器扩展

1、单片机芯片内具有单片机芯片内具有CPU、ROM、RAM、定时器、定时器/ 计数器及计数器及I / O口。但在实际应用中、大多数情况口。但在实际应用中、大多数情况下仅靠片内资源是不够的。下仅靠片内资源是不够的。 资源性扩展：资源性扩展： 包括包括存储器扩展和存储器扩展和IO扩展扩展。如何扩展如何扩展?扩展功能如何实现扩展功能如何实现?扩展部件如何连接扩展部件如何连接? 整个扩展系统以单片机为核心，通过整个扩展系统以单片机为核心，通过总线把各扩展部件连接起来，各扩展部件总线把各扩展部件连接起来，各扩展部件“挂挂”在总线上。在总线上。 所谓总线，就是连接系统中各扩展部所谓总线，就是连接系统中各扩展部

2、件的一组公共信号线。件的一组公共信号线。 包括：包括：地址总线（地址总线（AB）；）； 数据总线（数据总线（DB）；）； 控制总线（控制总线（CB）。）。存储器与微型机三总线的连接：存储器与微型机三总线的连接：1 1、数据线、数据线D D0 0n n 连接数据总线连接数据总线DBDB0 0n n 2 2、地址线、地址线A A0 0N N 连接地址总线低位连接地址总线低位ABAB0 0N N。3 3、片选线、片选线CSCS 连接地址总线高位连接地址总线高位ABABN+1N+1。4 4、读写线、读写线OEOE、WE(R/ W) WE(R/ W) 连接读写控制线连接读写控制线RDRD、WRWR。 D

3、BDB0 0n n ABAB0 0N NA A0 0N N ABABN+1N+1CSCSR/ WR/ WR/ WR/ W存储器存储器微型机微型机D D0 0n n 存储器与微型机三总存储器与微型机三总线的一般连接方法和存储线的一般连接方法和存储器读写时序：器读写时序：1.1.数据总线与地址总线数据总线与地址总线 为两组独立总线。为两组独立总线。DB0n地址输出地址输出数据有效数据有效数据数据采样采样R/WAB0ND D0 0n n DBDB0 0n n ABAB0 0N NA A0 0N N ABABN+1N+1CSCSR/ WR/ WR/ WR/ W存储器存储器微型机微型机D D0 0n n

4、2.2.微型机复用总线结构：微型机复用总线结构： 数据与地址分时共用数据与地址分时共用 一组总线。一组总线。 ALE地址地址锁存锁存地址地址锁存锁存地址地址输出输出数据数据有效有效地址地址输出输出数据数据有效有效AD0n数据数据采样采样数据数据采样采样R/W单片机单片机 AD0n ALER/WD0nA0nR/W存储器存储器Di Qi G地址锁存器地址锁存器l 单片机扩展的首要问题就是构造系统总线，然后再往系统单片机扩展的首要问题就是构造系统总线，然后再往系统总线上总线上“挂挂”存储芯片或存储芯片或I/O接口芯片。接口芯片。l“构造构造”总线总线芯片本身并没有提供地址线和数据线。芯片本身并没有提

5、供地址线和数据线。具体的构造方法说明如下：具体的构造方法说明如下：l以以P0口的口的8位口线作地址数据线。位口线作地址数据线。 复用技术复用技术地址和数据进行分离。地址和数据进行分离。 为此在构造地址总线时要添加一个为此在构造地址总线时要添加一个8位锁存器位锁存器。先把这。先把这低低8位地址送锁存器暂存，然后就由地址锁存器给系统提供位地址送锁存器暂存，然后就由地址锁存器给系统提供低低8位地址，而把位地址，而把P0口线作为数据线使用。口线作为数据线使用。l以以P2口的口线作高位地址线。口的口线作高位地址线。 由由P2口提供高口提供高8位，再加上位，再加上P0口提供的低口提供的低8位位64KB。

6、但实际应用系统中，地址高位并不固定为但实际应用系统中，地址高位并不固定为8位，而根据位，而根据需要从需要从P2口中引出。口中引出。 控制信号：控制信号：构成扩展系统的控制总线。构成扩展系统的控制总线。 1. ALE作地址锁存的选通信号，以实现低作地址锁存的选通信号，以实现低8位地址的锁存。位地址的锁存。 2. PSEN作扩展程序存储器的读选通信号。作扩展程序存储器的读选通信号。 3. EA作内外程序存储器的选通信号。作内外程序存储器的选通信号。 4. RD和和WR作扩展数据存储器和作扩展数据存储器和I/O端口的读写选通信号。端口的读写选通信号。80C51图图5.25.2MCS-51MCS-51

7、用于扩展存储器的外部总线信号：用于扩展存储器的外部总线信号：P P0.00.7 ：8 8位数据和低位数据和低8 8位地址信号，复用总线位地址信号，复用总线ADAD0 07 7。P P2.02.7 ：高高8 8位地址信号位地址信号ABAB8 81515。ALEALE： 地址锁存允许控制信号。地址锁存允许控制信号。PSENPSEN： 片外程序存储器读选通信号。片外程序存储器读选通信号。EAEA： 内外程序存储器选择。内外程序存储器选择。RDRD：片外数据存储器读控制信号。片外数据存储器读控制信号。WRWR：片外数据存储器写控制信号。片外数据存储器写控制信号。 当单片机外接芯片较多，超出总线负载能力

8、，必须当单片机外接芯片较多，超出总线负载能力，必须加总线驱动器。加总线驱动器。单向驱动器单向驱动器74LS24474LS244、 74LS24574LS245用于用于地址总线驱动；地址总线驱动；双向驱动器双向驱动器74LS25574LS255用于用于数据总线驱动。数据总线驱动。 5-2 存储器扩展及编址技术存储器扩展及编址技术存储器内部为双向地址译码，以节省内部引线和驱动器。存储器内部为双向地址译码，以节省内部引线和驱动器。 如：如：1K1K容量存储器，有容量存储器，有1010根地址线。根地址线。 单向译码需单向译码需要要10241024根译码输根译码输出线和驱动器。出线和驱动器。 双向译码双

9、向译码 X X、Y Y方向各为方向各为3232根根译码输出线和驱译码输出线和驱动器，动器， 总共需要总共需要6464根译码线和根译码线和6464个个驱动器。驱动器。图图5.6 存储器逻辑结构图存储器逻辑结构图3232=1024存储器外部信号引存储器外部信号引线线D D0 07 7数据线：数据线： 传送存储单元内容。根数与单元数据位数相同。传送存储单元内容。根数与单元数据位数相同。A A0 09 9地址线：地址线： 选择芯片内部一个存储单元。根数由存储器容量决定。选择芯片内部一个存储单元。根数由存储器容量决定。CS CS 片选线：片选线： 选择存储器芯片。当选择存储器芯片。当CSCS信号无效，其

10、它信号线不起作用。信号无效，其它信号线不起作用。R/WR/W(OE/WE)(OE/WE)读写允许线：读写允许线： 打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时刻。打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时刻。 用多片存储器芯片组成微型计算机系统所要求的用多片存储器芯片组成微型计算机系统所要求的存储器系统存储器系统。 要求扩充后的存储器系统引出线符合微型计算机要求扩充后的存储器系统引出线符合微型计算机的总线结构要求。的总线结构要求。例例1 1：用用2K2K1 1位存储器芯片组成位存储器芯片组成 2K2K8 8位存储器系统。位存储器系统。例例2 2：用用2K2K8 8位存储器芯片组成位存储器芯片组成2K

11、2K1616位存储器系统。位存储器系统。当地址、片选和读写信号有效，可当地址、片选和读写信号有效，可并行并行存取存取8位信息；共用片选。位信息；共用片选。地址、片选和读写引线并联后引出，数据线地址、片选和读写引线并联后引出，数据线并列并列引出。引出。CER/WR/WCECED07D815R/WA010共用片选共用片选 1.1.线选法：线选法：微型机剩余高位地址总线直接连接各存储器片选线。微型机剩余高位地址总线直接连接各存储器片选线。 2.2.译码片选法：译码片选法：微型机剩余高位地址总线通过地址译码器输出片选信号。微型机剩余高位地址总线通过地址译码器输出片选信号。多片存储器芯片组成大容量存储器

12、连接常用片选方法。多片存储器芯片组成大容量存储器连接常用片选方法。 地址线、数据线和读写控制线均并联。地址线、数据线和读写控制线均并联。 为保证并联数据线上没有信号冲突，必须用片选信为保证并联数据线上没有信号冲突，必须用片选信 号区别不同芯片的地址空间号区别不同芯片的地址空间（不能共用片选）（不能共用片选）。R/WCED07R/WCE1 (AB13)CE2(AB14)R/WCER/WCECE3(AB15)设设CECE1 1、CECE2 2、CECE3 3分别连接微型机分别连接微型机的高位地址总线的高位地址总线ABAB1313、ABAB1414、ABAB1515。ABABi i：15141315

13、141312 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 012 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 015141315141312 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 012 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 0：1101100 0000 0000 00000 0000 0000 00001101101 1111 1111 1111=C000H1 1111 1111 1111=C000HDFFFHDFFFH：1011010 0000 0000 00000 0000 0000 00001011011 1111 1111 1111=A000H1 1111 1111 11

14、11=A000HBFFFH BFFFH ：0110110 0000 0000 00000 0000 0000 00000110111 1111 1111 1111=6000H1 1111 1111 1111=6000H7FFFH 7FFFH l所谓存储器编址，就是使用系统提供的地址线，所谓存储器编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当的连接，最终达到一个编址唯一地对通过适当的连接，最终达到一个编址唯一地对应存储器中一个存储单元的目的。应存储器中一个存储单元的目的。l存储器编址分两个层次：存储器编址分两个层次： （见见P119）l存储芯片的选择；存储芯片的选择；l芯片内部存储单元的选择。芯片内部

15、存储单元的选择。l存储器映像研究各部分存储器在整个存储空间存储器映像研究各部分存储器在整个存储空间中所占据的中所占据的地址范围地址范围，以便为存储器的使用提，以便为存储器的使用提供依据。供依据。 线选法：线选法：v 直接以系统的地址位作为存储芯片的片选信号。直接以系统的地址位作为存储芯片的片选信号。 v 优缺点：简单明了，且不需增加电路。但存储空优缺点：简单明了，且不需增加电路。但存储空间的使用是断续的，不能有效地利用空间，扩充间的使用是断续的，不能有效地利用空间，扩充容量受限，只适用于小规模系统的存储器扩展。容量受限，只适用于小规模系统的存储器扩展。 译码法：译码法：v 对系统的高位地址进行

16、译码，以其译码输出作为对系统的高位地址进行译码，以其译码输出作为片选信号。片选信号。v 高效率地利用存储空间，适用于大容量多芯片扩高效率地利用存储空间，适用于大容量多芯片扩展。展。v 常用的译码芯片有：常用的译码芯片有：74LS139（双（双2-4译码器）、译码器）、74LS138(3-8译码器译码器)和和74LS154(4-16译码器译码器)等。等。图图5.5 74LS138G1 /G2A /G2B（使能端）：当（使能端）：当G1=“1”，G2A=G2B=“0”时，时，3/8译码器进入译码状态，这时译码器进入译码状态，这时 Y0Y7 只有一位是低电平，其只有一位是低电平，其余全为高电平。译码

17、无效时，余全为高电平。译码无效时， Y0Y7 全为高电平，无效。全为高电平，无效。C 、B、A：译码器输入：译码器输入 （C 为高位）。为高位）。 Y0Y7 ：译码器输出，低电平有效。：译码器输出，低电平有效。表表5-1图图5.5Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y2 2分别连接三片存储器的片选端分别连接三片存储器的片选端CECE1 1、CECE2 2、CECE3 3各片存储器芯片分配地址：各片存储器芯片分配地址：0000H1FFFH；：2000H3FFFH；：4000H5FFFH。AB13AB14AB15 +5V A Y0 B Y1 C Y2 G1 G2A Y7 G2B 74LS138CE1C

18、E2CE3ABABi i： 15141315141312 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 012 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 015141315141312 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 012 11109 8 7 6 5 4 3 2 1 0：0000000 0000 0000 00000 0000 0000 00000000001 1111 1111 11111 1111 1111 1111=0000H=0000H1FFFH1FFFH：0010010 0000 0000 00000 0000 0000 00000010011 1111 1111 11

19、111 1111 1111 1111=2000H=2000H3FFFH 3FFFH ：0100100 0000 0000 00000 0000 0000 00000100101 1111 1111 11111 1111 1111 1111=4000H=4000H5FFFH 5FFFH 工作时，工作时，ROMROM中的信息只能读出，要用特殊方式中的信息只能读出，要用特殊方式写入写入( (固化信息固化信息) )，失电后可保持信息不丢失。，失电后可保持信息不丢失。1.1.掩膜掩膜ROMROM：不可改写不可改写ROMROM 由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道工序用由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道

20、工序用掩膜工艺写入信息，用户只可读（如掩膜工艺写入信息，用户只可读（如80C5180C51）。）。2.PROM2.PROM：可编程可编程ROMROM 用户可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，用户可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。入，不可再次改写。3.EPROM3.EPROM：可擦除可擦除PROMPROM 用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的储单元的PNPN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息

21、写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写（如部擦除，便可再次改写（如87C5187C51）。）。4.EEPROM4.EEPROM：可电擦除可电擦除PROMPROM 既可全片擦除也可字节擦除，可在线擦除信息，既可全片擦除也可字节擦除，可在线擦除信息，又能失电保存信息，具备又能失电保存信息，具备RAMRAM、ROMROM的优点。但写入的优点。但写入时间较长（如时间较长（如89518951）。）。常用常用EPROMEPROM芯片：芯片：Intel 2716 (2KB=2KIntel 2716 (2KB=2K8 8位位) )、 2732

22、 (4KB)2732 (4KB)、 2764 (8KB)2764 (8KB)、 27128(16KB)27128(16KB)、 27256(32KB)27256(32KB)、 27512(64KB)27512(64KB)。CE/PGM片选低电平有效。当编程时引入编程脉冲。片选低电平有效。当编程时引入编程脉冲。OE-(输出允许输出允许)有效时输出缓冲器打开，被寻址单元才能被读出。有效时输出缓冲器打开，被寻址单元才能被读出。VPP编程时加十编程时加十25V编程电压电源。编程电压电源。表表5-3 2716工作方式工作方式8031/80328031/8032扩展扩展2KB EPROM Intel 27

23、162KB EPROM Intel 2716（总线形式）（总线形式） l最低地址：最低地址：8000H；l最高地址：最高地址：87FFH。l 地址范围：地址范围：8000H87FFH。图图5.8 单片机程序存储器扩展连接图单片机程序存储器扩展连接图图图5.8 2816引脚和功能图引脚和功能图EEPROM EEPROM 既能作为程序存储器又能作数据存储器。既能作为程序存储器又能作数据存储器。将程序存储器与数据存储器的空间合二为一。将程序存储器与数据存储器的空间合二为一。片外存储器读信号片外存储器读信号= PSEN = PSEN RD RD与门与门扩展数据存储器电路常用扩展数据存储器电路常用RAM

24、RAM芯片：芯片：Intel 6116(2KB)Intel 6116(2KB)、6264(8KB)6264(8KB)、 62256(32KB)62256(32KB)等。等。图图5.10 静态静态RAM2114引脚图引脚图1KB6416=1024图图5.10 6116和和6264管脚和逻辑符号管脚和逻辑符号80318031（80518051）扩展）扩展2KB RAM Intel 61162KB RAM Intel 6116。图图5.11 扩展单片扩展单片6116数据存储器数据存储器数据存储器和程序存储器的综合扩展。数据存储器和程序存储器的综合扩展。1 1、同时扩展数据存储器和程序存储器：、同时扩

25、展数据存储器和程序存储器： 程序存储器的读操作有程序存储器的读操作有PSEN信号控制，信号控制， 数据存储器的读和写分别由数据存储器的读和写分别由RD和和WR信号控制。信号控制。 不会造成操作上的混乱。不会造成操作上的混乱。2 2、通过扩展可读写存储器：、通过扩展可读写存储器： （1 1）利用）利用EEPROM芯片芯片扩展；（速度较慢）扩展；（速度较慢） 如：可扩展如：可扩展28162816或或28172817等。等。 （2 2）改造）改造RAM存储芯片。（见存储芯片。（见P131P131） 如：可改造如：可改造61166116等。等。单片机连接单片机连接 8KB EPROM 2764 8KB

26、 EPROM 2764 和和 8KB RAM 6264 8KB RAM 6264 各一片。各一片。图图5.14 同时扩展两种存储器同时扩展两种存储器EEPROM EEPROM 既能作为程序存储器又能作数据存储器。既能作为程序存储器又能作数据存储器。将程序存储器与数据存储器的空间合二为一。将程序存储器与数据存储器的空间合二为一。片外存储器读信号片外存储器读信号= PSEN = PSEN RD RD与门与门 哈佛（哈佛（Har-yard）结构，即将程序和）结构，即将程序和数据存储器截然分开，各有自已的寻址数据存储器截然分开，各有自已的寻址方式、寻址空间和控制信号。方式、寻址空间和控制信号。 80C51单片单片微机的微机的存储器映象图存储器映象图。 一、特点一、特点复杂性复杂性 1、程序存储器与数据存储器同时存在；、程序存储器与数据存储器同时存在； 2、内外存储器同时存在；、内外存储器同时存在； 3、存储器地址空间的重叠和连续。、存储器地址空间的重叠和连续。4KB4