微机原理 第五章 存储器的扩展

1、第五章第五章 存储器的扩展存储器的扩展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

2、机所具有的三总线结构部连线变为一般微机所具有的三总线结构形式：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。通过这三总线进行扩展。 三总线结构三总线结构1. 1. 数据总线数据总线DBDB：宽度宽度8位，由位，由P0口提供，三态双口提供，三态双向口，单片机与外部交换的所有信息，几乎都通过向口，单片机与外部交换的所有信息，几乎都通过P0口传送。是应用系统中使用最频繁的通道。口传送。是应用系统中使用最频繁的通道。片外

3、多个扩展芯片的数据线采用并联方式连接在数据片外多个扩展芯片的数据线采用并联方式连接在数据总线上，而在某一时刻只有端口地址与单片机发出总线上，而在某一时刻只有端口地址与单片机发出的地址相符的芯片才能与单片机进行通信。的地址相符的芯片才能与单片机进行通信。2. 2. 地址总线地址总线ABAB：宽度宽度16位，寻址范围位，寻址范围21664K字节。字节。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，便不能再作口在系统扩展中用作地址线后，便不能再作为一般为一般I/0口使用。口使用。 3.

4、3. 控制总线控制总线CBCB：包括片外系统扩展用控制线和包括片外系统扩展用控制线和片外信号对单片机的控制线。片外信号对单片机的控制线。（1）WR、RD：片外数据存储器的读：片外数据存储器的读/写控制。执写控制。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：片外程序存储器的读控制。执行：片外程序存储器的读控制。执行MOVC时，该信号自动生成。时，该信号自动生成。（3）ALE：锁存锁存P0口输出的低口输出的低8位地址的控制线。位地址的控制线。ALE在在P0口输出地址期间，用下降沿控制锁存器口输出地址期间，用下降沿控制锁存器对地址进行锁存，该信号自动生成。对

5、地址进行锁存，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。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，的访问使用不同的指令及控制信号，允许两者地址重合。允许两者地址重合。 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的访的访问使用相同的操作指令，对两者的选择则靠硬件来问使用相同的操作指令，对两者的选择则

6、靠硬件来实现。实现。EA0时，选择片外程序存储器，即无论片内有无程时，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序存储器，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时，选片内程序存储器，若片内程序存储器容量为量为4KB，则其地址为，则其地址为0000H0FFFH，片外程，片外程序存储器地址只能从序存储器地址只能从1000H开始。开始。 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存计数器均是与片外数据存储器统一编址的。即通常把储器统一编址

7、的。即通常把64KB的外部数据的外部数据存储器空间的一部分作为扩展存储器空间的一部分作为扩展I/O端口的地端口的地址空间，每一个址空间，每一个I/O口相当于一个数据存储口相当于一个数据存储单元，单元，CPU如同访问外部数据存储器一样访如同访问外部数据存储器一样访问扩展问扩展I/O口，对其进行读写操作。口，对其进行读写操作。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，其软件也微机系统，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

8、就定型，所以常用半导体只读存储器（Read Only Memory,Read Only Memory,缩写为缩写为ROMROM）作为单）作为单片机的程序存储器。片机的程序存储器。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 由芯片生产厂家用最后一道掩膜工艺来写入信由芯片生产厂家用最后一道掩膜工艺来写入信息的，用户不能再作更改，如息的，用户不能再作更改，如8051的内部的内部ROM。掩膜。掩膜ROM集成度高，成本低，适合集成度高，成本低，适合用于大批量生产。用于大批量生产。(2) 可编程可编程ROM（PROM）芯片出厂前未写入信息，由

9、用户自行写入（即芯片出厂前未写入信息，由用户自行写入（即编程），在专用的编程器上进行的。一旦编编程），在专用的编程器上进行的。一旦编程后，芯片内容不能再作更改。程后，芯片内容不能再作更改。(3) 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROM（EPROM） 由用户利用编程器写入信息，其内容可以更改。在紫由用户利用编程器写入信息，其内容可以更改。在紫外线照射下使电路复位，原存信息被擦除，然后重外线照射下使电路复位，原存信息被擦除，然后重新编程。能反复多次使用。新编程。能反复多次使用。EPROM广泛应用于各种微机系统。通常采用的标准芯广泛应用于各种微机系统。通常采用的标准芯片有：片有：2716（2KB）

10、、2732（4KB）2764（8KB） 、27128（16KB）27256（32KB）、）、27512（64KB）。）。(4) 电擦除可编程电擦除可编程ROM（EEPROM）采用电的方法擦除，能整片擦除，字节擦除，采用电的方法擦除，能整片擦除，字节擦除，擦除和写入可以在单片机内进行，不需要附擦除和写入可以在单片机内进行，不需要附加设备，每个字节允许擦写次数目前约加设备，每个字节允许擦写次数目前约1万次。万次。因而比因而比EPROM性能更优越，但价格较高。常性能更优越，但价格较高。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写入：写入：

11、2816A，2817A（2K字节），字节），2864（8K字节）字节）。 （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。它既一种新型的可擦除、非易失性存储器。它既有有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。 2 2、数据存储器：、数

12、据存储器：功能：存储现场采集的原始数据、功能：存储现场采集的原始数据、运算结果。运算结果。需要经常进行读写操作，所以通常采用半导体需要经常进行读写操作，所以通常采用半导体读写存储器，即随机存取存储器（读写存储器，即随机存取存储器（Random Access Memory ） RAM作为片外数据存作为片外数据存储器。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。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） 基本存储单元是基本存储单元是MOS双稳态触发器。一个触发双稳态触发器。一个触发器可以存

13、储一位二进制信息。器可以存储一位二进制信息。SRAM能可靠能可靠地保持所存信息。常用的芯片有地保持所存信息。常用的芯片有6116（2K字节），字节），6264（8K字节）。字节）。SRAM芯片集成度较低，功耗较大，电路连接芯片集成度较低，功耗较大，电路连接简单，断电信息丢失（简单，断电信息丢失（易失性），易失性），常用于存常用于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（2） 动态动态RAM（DRAM） 利用利用MOS管的栅极和源极之间的电容来保存信息。管的栅极和源极之间的电容来保存信息。由于栅源极间电容的电荷量会逐渐泄漏，因此需由于栅源极间电容的电荷量会逐渐泄漏，因此需要由要由CPU

14、按一定时间（如按一定时间（如12ms）将所有存入）将所有存入的信息逐个读出来，经放大后再写回去，以保持的信息逐个读出来，经放大后再写回去，以保持原来的信息不变。这一操作称为动态存储器的刷原来的信息不变。这一操作称为动态存储器的刷新。为此需要刷新电路和相应的控制逻辑。常用新。为此需要刷新电路和相应的控制逻辑。常用的芯片有的芯片有2164（64K位）等。位）等。DRAM芯片集成度高，功耗小，价格低，但有关电芯片集成度高，功耗小，价格低，但有关电路较复杂，广泛用于存储容量大的微机系统。路较复杂，广泛用于存储容量大的微机系统。（3） 集成集成RAM（iRAM） 集成集成RAM（Integrated R

15、AM，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 （4） 非易失性非易失性RAM（NVRAM） 非易失性非易失性RAM（Non-VoIatile RAM，缩写为，缩写为NVRAM），其存储体由），其存储体由SRAM和和EEPROM两部分两部分组合而成。正常读写时，组合而成。正常读写时，SRAM工作。当要保存信工作。当要保存信息时（如电源掉电），控制电路将息时（如

16、电源掉电），控制电路将SRAM的内容复的内容复制到制到EEPROM中保存。存入中保存。存入EEPROM中的信息又中的信息又能够恢复到能够恢复到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需要掉电保护的场合。目前芯片容量还不能做得很大，另外由于大，另外由于EEPROM的擦写次数有限制，因而影的擦写次数有限制，因而影响响NVRAM的使用寿命。的使用寿命。 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

17、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。 二、地址锁存器二、地址锁存器 n地址锁存器通常使地址锁存器通常使用用 T T L 芯 片芯 片7

18、4LS373。它是。它是带有三态门的带有三态门的8D锁存器，双列直插锁存器，双列直插20引脚引脚三态门使能端：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，输时，数据被锁存，输出端出端Qi不再随输入端的不再随输入端的变化而变化，而一直保变化而变化，而一直保持锁存前的值不变。持锁存前的值不变。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电平；电平；1：三态门输出高阻态；三态门

19、输出高阻态；74LS373的逻辑功能表的逻辑功能表 74LS373与单片机的连接方法与单片机的连接方法 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 中被分配中被分配在什么位置，这由高位地址线在什么位置，这由高位地址线A A1111A A1515产生的该芯产生的该芯片的片选信号片的片选信号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

20、别确定各芯片的地址分配。须利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。片选方式有线选和译码二种就不同。片选方式有线选和译码二种 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 三个芯片的地址分配三个芯片的地址分配 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

21、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 。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器将高位地址线译码后输出来选通存储器芯片存储器芯片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）74LS1

22、5474LS154（4/164/16译码器）等译码器）等 74LS138引脚图引脚图 74LS138真值表真值表 用译码方式实现片选用译码方式实现片选 根据译码器的逻辑关系和存储器的片内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寻址范围，三个芯片的地址空间如下 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:

23、 :电路连接复杂一些。电路连接复杂一些。 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，也就外部存储器的扩展方法，也就是存储器系统的设计是存储器系统的设计 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 （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 扩展一片扩展一片EPROM程序存储器程序存储器 线选方式线选方式扩展多片扩展多片EPROM EPROM 译码方式译码方式扩展多片扩展多片EPROM 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二、数