第8章外部存储器并行扩展

北京理工大学光电学院2021.9第8章

AT89S52单片机外部存储器的扩展第8章

AT89S52单片机外部存储器的并行扩展3存储器介绍系统并行扩展结构地址空间分配和外部地址锁存器静态数据存储器RAM的并行扩展片内Flash存储器的编程E2PROM的并行扩展【例】电子密码锁的片外存储器U3

：M28C16

容量为2K×8

位的

E2PROM，可被电信号擦除（删除）所保存的数据，之后亦可被适当的电信号把新的数据写入。44存储器容量的描述在单片机系统中，存储器所能存储的二进制数的多少取决于该存储器的容量。存储器组织存储器内部都有一定的组织结构来存储数据。存储器的输入/输出端线有几位，则存储器组织中每个单元就有几位，与器件的管脚对应。任一存储器都包含2n个单元，其中n是器件地址线的位数。每一个单元中包含m个位，m是器件的数据线的位数。整个存储器的容量为2n×mbits。在数据线位数一定的情况下（如8位），地址线的位数越多（n越大），存储器的容量也就越大。5读存储器与写存储器存储器的操作都围绕着读与写进行，读与写都涉及到存储器的寻址。在写操作中进入存储器和在读操作中从存储器传出的数据都通过数据线（Data

Bus），数据线是双向的。以字节为组织的存储器最少需要8位数据线保证数据地并行交换。在读或写操作中，地址被选定后以二进制码的形式出现在存储器的地址线（Address Bus）上，经过存储器内部的地址解码器解码后，存储器单元中对应地址被选中。6写存储器操作写操作（分三步）：给出地址、送出数据、输出写有效信号。7读存储器操作读操作：给出地址、发出读信号、读取数据。8存储器类型——RAM和ROMRAM（Random

Access

Memory）：随机访问存储器。存储单

元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的

位置无关。可以随时读写，而且速度很快，但掉电后数据丢失，通常作为CPU运行时临时数据存储。ROM（Read

Only

Memory）：只读存储器。而ROM可以在掉电后保存住数据，所以ROM都是非易失性存储器。9RAM家族RAM有两大类：SRAM（静态RAM）和DRAM（动态RAM）。10SRAM的存储单元所有SRAM的存储单元都由触发器担当，1位存储单元由6只MOS管组成。当向存储单元供电时，它能持续地保存状态1或0，直到掉电数据丢失为止。11SRAM的存储单元SRAM是由许多存储单元组成的矩阵。12单片机接口常用的RAM——ASRAM13ASRAM（Async.Static

RAM）：异步SRAM，是RAM的一种，其特点是操作与系统时钟不同步。常用的ASRAM芯片单片机系统中常用的RAM芯片的典型型号有6116（2KB

），6264（8KB），62128（16KB），62256（32KB）。其中6116为24脚封装，6264、62128、62256为28脚封装，同封装的器件管脚兼容。容量：2048×8

bit功耗：操作时80～150mA；维持时ICC为2mA存储时间：15～45ns14ASRAM写时序写数据时的

参考时序图：一个写操作

周期中，有

一个字节长度的数据写

入指定的存

储器地址上。15ASRAM读时序存储器的读、写操作由读写控制端WE*来决定：WE

*=1

为读操作

WE

*=0

为写操作16ROM家族ROM家族中的主要成员：mask

ROMPROMEPROMEEPROMFlash……17Mask

ROM18Mask

ROM是“掩膜只读存储器”，Mask

ROM在生产时厂家会按照客户的要求把数据保存在其中，一旦生产出来后的数据无法修改，通常存储一些不用修改的数据信息。PROM是“可编程只读存储器”，它在编程结束后（写入数据后），只能读取其中的数据而不能擦除或修改。PROM19UV

EPROMEPROM是“可擦除可编程序只读存储器”。不但在新买回来时可以往

里面烧写数据，还可以在任何时候把数据擦除掉，再往其中写入新数20据。EPROM芯片EPROM扩展的典型产品有：2716（2KB）、2732（4KB)、2764

（

8KB

）

、27128

（

16KB

）、27256

（

32KB)

、27512（64KB），它们的主要差别只是地址线的增减。在管脚上，与同容量的SRAM保持兼容。21EEPROM（E2PROM）EEPROM是“电可擦可写只读存储器” ，直接用电信号就能实现存储器中数据的擦除和写入。单片机就可以对EEPROM进行数据的擦除和写入，并在掉电后仍然保存这些数据。22并行E2PROM芯片常见的并行芯片有2816/2816A

，2817/2817A

，2864A

等。2KB

的E2PROM

2816与相同容量的EPROM

2716和SRAM

6116兼容，8KB的2864A与同容量的EPROM

2764和SRAM6264也是兼容的。2816、2817和2864A的读出数据时间均为250ns，写入时间10ms。23E2PROM的工作方式E2PROM

2864A拥有4种工作方式：1．读方式——与RAM/EPROM相同当CE*和OE*均为低而WE*为高时，内部的数据缓冲器被打开，数据送上总线，此时可进行读操作。写方式2864A提供两种数据写入方式：页写入和字节写入。页写入为提高写速度，2864A片内设置16字节的“页缓冲器”，将整个存储器阵列划分成512页，每页16字节。高9位(A12～A4)

确定页，低4位(A3～A0)

选择页缓冲器中的16个地址单元之一。页写入步骤：第1步，在软件控制下把数据写入页缓冲器（页装载），与一般SRAM写操作一样。第2步，在最后一个字节(即第16个字节)写入到页缓冲器后20ns自动开始，把页缓冲器的内容写到E2PROM阵列中对应地址的单元中（页存储）。写方式时，CE*为低，在WE*下降沿，地址码A12～A0被片内锁存器锁存，在WE*上升沿数据被锁存。片内有一个字节装载限时定时器，只要时间未到，数据可随机地写入页缓冲器，写一个字节数据时间TBLW须满足：3µs<TBLW<20µs。24（2）字节写入与页写入类似，写入一个字节，限时定时器就溢出。数据查询方式用软件来检测写操作中页存储周期是否完成。在页存储期间，如对2864A执行读操作，那么读出的是最后写入的字节，若芯片的转储工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最高位的反码。据此，单片机可判断芯片的编程是否结束。如果读出的数据与写入的数据相同，表示芯片已完成编程，可继续向2864A装载下一页数据。维持方式当CE*为高电平时，2864A进入低耗维持方式。此时，输出线呈高阻态，芯片的电流从140mA降至维持电流60mA。25EEPROM的简化版——FlashFLASH和EEPROM的最大区别：FLASH按扇区操作EEPROM则按字节操作Flash存储器满足了大容量、非易失性、在线擦写、快速访问、廉价的要求。26Flash的操作Flash的操作有3种：擦除操作、编程操作（也就是写操作）、读操作。擦除操作27编程操作读操作Flash存储器与其他存储器相比的特点与PROM、EPROM、EEPROM相比，Flash存储器可在线轻易地被擦写，由于它的存储单元也只有一个MOSFET，所以其集成度与

PROM或UV

EPROM相当。FlashROM可快速在线修改其存储单元中的数据，最大改写次数可达10万次以上，读写速度很快（存取时间可达70ns），，成本却比普通E2PROM低得多。与SRAM相比，Flash在保证高集成度的同时，还可以在掉电后保持其中的数据不会丢失。与DRAM相比，Flash克服了DRAM需要刷新的问题，而且其高集成度和廉价的特点今天已经被广泛作为数码产品的硬盘。28AT89S5x片内Flash存储器的编程程序存储器为只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保存程序（称此特性为非易失性的），在系统上电后，CPU可取出这些指令重新执行。单片机出厂时，Flash存储器处于全部空白状态（各单元均为0FFH），可直接进行编程写入。AT89S52片内的Flash存储器有3个可编程的加密位，定义了3个加密级别，用户只要对3个加密位：LB1、LB2、LB3进行编程即可实现3个不同级别的加密。目前对片内Flash存储器的编程可使用通用编程器编程或利用PC机通过下载线进行在线编程（ISP）。29使用通用编程器的程序写入通用编程器一般通过串行口或USB口与PC机相连，并配有相应的驱动软件。在编程器与PC机连接后，在PC机上运行驱动软件，先选择要编程的单片机型号，再调入调试完毕的程序代码文件，执行单片机片内程器就将调试通过的程序代码烧写到中。写入命令，编的Flash存储器30使用下载线的ISP编程AT89S5x单片机支持对片内Flash存储器在线编程（ISP），即PC机直接通过下载线向片内Flash存储器写入程序代码。编程完毕的片内Flash存储器也可用ISP方式擦除或再编程。ISP下载线按与PC机的连接分为三种类型：串口型、并口型以及USB型。ISP下载线与单片机一端的连接端口通常采用

ATMEL公司的IDC端口标准接口。31系统扩展结构AT89S52单片机采用总线结构，使扩展易于扩展实现。系统扩展主要包括存储器扩展和I/O接口部件扩展。AT89S52存储器扩展包括程序存储器扩展和数据存储器扩展。AT89S52进行系统扩展首先要构造系统总线。32地址总线（AddressBus，AB）：用于传送单片机发出的地址信号，以便进行存储单元和I/O接口芯片中的寄存器单元的选择。数据总线（Data

Bus，DB）：用于单片机与外部存储器之间或与I/O接口之间传送数据，数据总线是双向的。控制总线（Control

Bus，CB）：控制总线是单片机发出的各种控制信号线。33如何来构造系统的三总线P0口作为低8位地址/数据总线需增加一个8位地址锁存器。CPU访问外扩存储单元或I/O接口时，先发出低8位地址送地址锁存器锁存输出系统低8位地址（A7~A0）。随后又作为数据总线口（D7~

D0）。P2口的口线作为高位地址线加上地址锁存器提供的低8位地址，便形成了系统完整的16位地址总线（64KB）。34

EA*控制信号线除地址线和数据线外，还要有系统的控制总线。包括：PSEN*作为外扩程序存储器的读选通控制信号。RD*和WR*为外扩数据存储器和I/O的读、写选通控制信号。ALE作为P0口发出的低8位地址锁存控制信号。 为片内、片外程序存储器的选择控制信号。35P0~P3口构成单片机的片外三总线结构36地址线：P0低8位地址，P2高8地址数据线：P0输入输出8位数据控制线：P3口的RD*、WR*等加上PSEN*、ALE共同完成控制总线地址空间分配和外部地址锁存器如何进行存储器空间的地址分配，以及用于输出低8位地址的常用的地址锁存器。存储器地址空间分配实际系统设计中，既需要扩展程序存储器，又需要扩展数据存储器，如何把片外的两个64KB地址空间分配给各个程序存储器、数据存储器芯片，使一个存储单元只对应一个地址，即存储器地址空间分配问题。外扩多片存储器，单片机必须进行两种选择：选中该存储器芯片（片选），未被选中的芯片不能被访问。在片选的基础上再根据单片机发出的地址码来对选中芯片的某一单元进行访问，即单元选择。片选和单元选择都由CPU通过地址线一次发出的地址信号来完成。通常把单片机系统的地址线笼统地分为低位地址线和高位地址线，片选都是使用高位地址线。用于单元选择的地址线，都称为低位地址线。37常用的存储器地址空间分配方法有两种：线性选择法（简称线选法）和地址译码法（简称译码法）。1．线选法是直接利用系统的某一高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的“片选”控制信号。为此，只需要把用到的高位地址线与存储器芯片的“片选”端直接连接即可。38A0～A12CE1、CE2——

接地址总线A0～A12—— CE1接片选信号,CE2接电源OE——

接RDWEIO0～IO7——

接WR——

接D0

～

D7RAM管脚(6264)A0～A15

地址线。6264（A0～A12）；CE1、CE2

芯片使能信号OE

输出允许WE

写允许IO0～IO7

数据线RAM与单片机的连线39线选法的特点：优点：电路简单，不需要另外增加地址译码器硬件电路，体积小，成本低。缺点：可寻址的芯片数目受到限制。而且地址空间不连

续，每个存储单元的地址不唯一，给程序设计带来不便。只适用于外扩芯片数目不多的单片机系统的存储器扩展。译码法使用译码器对AT89S52单片机的高位地址进行译码，译码输出作为存储器芯片的片选信号。译码法的特点：能够有效地利用存储器空间。可以消除地址空间不连续和二义性。适用于多芯片的存储器扩展。电路较复杂，成本略高。常用的译码器芯片有74LS138（3线-8线译码器）、74LS139（双2线-4线译码器）和74LS154（4线-16线译码器）。40若全部高位地址线都参加译码，称为全译码若仅部分高位地址线参加译码，称为部分译码。部分译码存在着部分存储器地址空间相重叠的情况。常用的译码器芯片（1）74LS138当译码器的输入为某一固定编码时，其输出仅有一个固定的引脚输出为低电平作为某一存储器芯片的片选信号（其余为高电平）。41（2）74LS139双2线-4线译码器。42【例】要扩8片8KB的RAM6264，如何通过74LS138把64KB空间分配给各个芯片？思路：8片6264共64KB，可以采用全地址译码：CPU发出16位地址时，每次只能选中某一芯片及该芯片的一个存储单元43【例】如何用74LS138把64KB空间全部划分为4KB的块，实现8片4K

RAM（如6232）的扩展？思路：4KB空间需12条地址线，而译码器输入只有3条地址线（P2.6～P2.4），P2.7不参加译码，只是用来选择64KB存储器空间的前32KB还是后32KB，实现部分地址译码。44外部地址锁存器受引脚数的限制，MCS-51单片机的P0口兼用数据线和低8位地址线，为了将它们分离出来，需在单片机外部增加地址锁存器。（1）带三态门8D锁存器74LS373【注】74LS373为下降沿锁存，高电平直通45（2）锁存器74LS573也是带有三态门的8D锁存器，功能及内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚排列与74LS373不同。46静态SRAM的扩展SRAM一般用于数据存储器扩展，对外扩数据存储器访问时，P2口提供高

8位地址，P0口分时提供低8位地址和8位双向数据总线。片外数据存储器

RAM的读和写由单片机的RD*（P3.7）和WR*（P3.6）信号控制。外扩数据存储器的读写操作时序对片外RAM读和写两种操作时序的基本过程相同。1．读片外RAM操作时序（MOVX

A,

@DPTR）472．写片外RAM操作时序（

MOVX @DPTR，A

）指令执行后，单片机的WR*信号为低有效，此信号使RAM的WE*端被选通。48AT89S52单片机与RAM的接口设计与软件编程设计时，主要解决地址分配、数据线和控制信号线的连接问题。在与高速单片机连接时，还要根据时序解决读/写速度匹配问题。【例】用线选法扩展AT89S52外部数据存储器电路。用线选可扩展3片6264，对应的存储器空间：49【例】用译码法扩展外部数据存储器的接口电路。数据存储器62128，芯片地址线为A0～A13，剩余地址线为两条。若采用2线-4线译码器可扩展4片62128。50YY32【例】编写程序将片外数据存储器中5000H～50FFH单全部清0。方法1：用DPTR作为数据区地址指针，使用字节计数器：方法2：用DPTR作为数据区地址指针，但不使用字节计数器，而是比较特征地址。51单片机片外数据区读/写数据过程当程序运行中，执行MOV类指令时，表示与片内RAM交换数据；当遇到MOVX类指令时，表示对片外数据存储器区寻址。片外数据存储器区只能间接寻址。【例】把片外6000H单元的数据送到片内RAM

50H单元中：向片外数据区写数据的过程与读数据的过程类似。【例】把片内50H单元的数据送到片外4000H单元中：52单片机读写片外数据存储器中内容，除了用MOVXA，@DPTR和MOVX

@DPTR，A外，还可用指令MOVX

A，@Ri和MOVX@Ri，A。这时P0口装入Ri中内容（低8位地址），而把P2口原有的内容作为高8位地址输出。【例】采用MOVX

@Ri，A指令，将程序存储器中以TAB为首址的32个单元内容依次传送到外部RAM以4000H为首的区域。思路：将DPTR指向标号TAB首地址。R0既指示外部RAM的地址，又表示数据标号TAB的位移量。程序为一循环程序，循环次数为32，R0的值达到

32就结束循环。53EPROM作程序存储器的扩展访问程序存储器的控制信号ALE：用于低8位地址锁存控制；PSEN*：外部程序存储器“读选通”控制信号；EA*：片内、外程序存储器访问的控制信号。MCS-51取指时序54不执行MOVX指令时操作时序55执行MOVX指令时操作时序【例】用一片27128扩展的16KB单片机程序存储器。扩展一片程序存储器时，片选信号CS*可直接接地，也可接A14或A15，既采用线选法。5727128的A0～A13

——

接地址总线A0～A13OE ——

接

PSENO0～O7

——

接

D0～

D7地址锁存器的

G

——

ALEOC——

直接接地地址线和数据线片选地址锁存器27128的CE

——

接地址总线A14(P2.6)为了使程序存储器从0000H地址开始，设A15＝0，则由线选确定的高位地址：A15

A14

＝

0

0低位

A13～

A0

＝

0000H~3FFFH即27128的地址范围：0

0

0

0

H

~

3FFFH【注】采用线选法时，存储器的地址不是唯一的，存在地址重叠现象。58【例】如图为采用74LS139译码扩展两片2764（8K）EPROM和两片6264（8K）RAM芯片的电路，分析它们的地址范围。A0

~A7

A8~

A12CE 2764(1)

D0~D7

OEDO

Q0~

~D7

Q7GA0

~A7

A8~

A12CE 2764(2)

D0~D7

OEA0

~A7

A8~

A12CE 6264(1)

D0~D7

WE

OEA0

~A7

A8~

A12CE

6264(2)D0~D7

WE

OEG

Y3B

Y2A

Y1Y0P2.7P2.6P2.5P2.0~P2.4P0.0~P0.7ALE8031PSENWREA

RD2764(2)

:2000H~3FFFH2764(1)

:0000H~1FFFH6264(1)

:4000H~5FFFH6264(2)

:6000H~7FFFH59E2PROM的并行扩展E2PROM与Flash存储器都支持在线擦除与改写，且都可断电保存数据，区别在于Flash的擦除、改写都是按扇区进行的，操作过程麻烦，不如E2PROM灵活。【例】扩展一片8K的E2PROM

2864——充当数据存储器按字节进行写数据访问时采用指令：MOVX

@DPTR，AMOVX

@Ri，A按字节进行读数据访问时采用指令：MOVX

A，@DPTRMOVX

A，@Ri60【例】E2PROM扩展电路——同时兼有数据存储器和程序存