1、单单 片片 机机 原原 理理单片机原理单片机原理 任课教师：任课教师：朱奇光 E-MAIL: 单单 片片 机机 原原 理理第七章第七章 MCS-51扩展存储器的设计扩展存储器的设计7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述 7.2 单片机的总线结构单片机的总线结构 7.3 常用扩展器件简介常用扩展器件简介7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展7.5 数据存储器的扩展数据存储器的扩展7.6 程序存储器和数据存储器综合扩展程序存储器和数据存储器综合扩展单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述一、最小应用系统一、最小应用系统 单片机系统的扩展是以基本的最小系统为单片机系统的扩展是以基本的最小系统
2、为基础的基础的,故应首先熟悉最小应用系统的结构。故应首先熟悉最小应用系统的结构。实际上实际上,内部带有程序存储器的内部带有程序存储器的8051或或8751单单片机本身就是一个最简单的最小应用系统片机本身就是一个最简单的最小应用系统,许多许多实际应用系统就是用这种成本低和体积小的单实际应用系统就是用这种成本低和体积小的单片结构实现了高性能的控制。片结构实现了高性能的控制。对于对于8031来说，由于内部无程序存储器来说，由于内部无程序存储器,则要用外接程序存储器的方法才能构成一个最则要用外接程序存储器的方法才能构成一个最小应用系统。小应用系统。单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述(1)
3、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 片内带程序存储器的片内带程序存储器的8051、8751本身即可构本身即可构成一片最小系统成一片最小系统,只要将单片机接上时钟电路和只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可复位电路即可,同时同时 接高电平接高电平,ALE、信信号不用号不用,系统就可以工作。系统就可以工作。如图如图(a)所示所示(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 片内无程序存储器的芯片构成最小应用系统片内无程序存储器的芯片构成最小应用系统时时,必须在片外扩展程序存储器。必须在片外扩展程序存储器。由于一般用作由于一般用作程序存储器的程序存储器
4、的EPROM芯片不能锁存地址芯片不能锁存地址,故扩展故扩展时还应加时还应加1个锁存器个锁存器,构成一个构成一个3片最小系统片最小系统,如图如图(b)所示。所示。该图中该图中74LS373为地址锁存器为地址锁存器,用于锁用于锁存低存低8位地址。位地址。EAPSEN单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述二、扩展方法二、扩展方法 存储器扩展的核心问题是存储器扩展的核心问题是存储器的编址问题存储器的编址问题。所谓所谓编址就是给存储单元分配地址。由于存储器通常由多编址就是给存储单元分配地址。由于存储器通常由多片芯片组成片芯片组成,为此存储器的编址
5、分为两个层次为此存储器的编址分为两个层次:即即存储存储器芯片的选择器芯片的选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。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：所谓线选法所谓线选法,就是直接以系统的就是直接以系统的地址线地址线作为作为存储器芯片的存储器芯片的片选信号片选信号,为此只需把用到的地址线与为此只需把用到的地址线与存储器芯片的片选端直接相连即可。存储器芯片的片选端直接相连即可。2.译码法：译码法：所谓译码法就是使用地址译码器对系统的片所谓译码法就是使用地址译码器对系统的片外地址进行译码外地址进行译码,以
6、其译码输出作为存储器芯片的片以其译码输出作为存储器芯片的片选信号。选信号。单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述译码法又分为译码法又分为完全译码和部分译码两种完全译码和部分译码两种。(1)完全译码：完全译码：地址译码器使用了全部地址线，地址译码器使用了全部地址线，地地址与存储单元一一对应，也就是址与存储单元一一对应，也就是1个存储单元只个存储单元只占用占用1个唯一的地址。个唯一的地址。(2)部分译码部分译码：地址译码器仅使用了部分地址线，：地址译码器仅使用了部分地址线，地址与存储单元不是一一对应，地址与存储单元不是一一对应，而是而是1个存储单个存储单元占用了几个地址。元占用了几个地址
7、。1根地址线不接，根地址线不接，一个单元一个单元占用占用2(21)个地址；个地址；2根地址线不接，根地址线不接，一个单元占一个单元占用用4(22)个地址；个地址；3根地址线不接，根地址线不接，则占用则占用8(23)个个地址，地址，依此类推。依此类推。单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述 在设计地址译码器电路时，在设计地址译码器电路时，如果采用如果采用地址译码关地址译码关系图系图的话，将会带来很大的方便。的话，将会带来很大的方便。所谓地址译码关系图，就是一种用简单的符号所谓地址译码关系图，就是一种用简单的符号来表示全部地址译码关系的示意图。来表示全部地址译码关系的示意图。从地址译码关
8、系图上可以看出以下几点：从地址译码关系图上可以看出以下几点：属完全译码还是部分译码；属完全译码还是部分译码；片内译码线和片外译码线各有多少根；片内译码线和片外译码线各有多少根；所占用的全部地址范围为多少。所占用的全部地址范围为多少。单片机原理 7.1 存储器扩展概述存储器扩展概述.0100X X X X X X X X X X X A15A14 A13A12 A11A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0在上面的关系图中，有在上面的关系图中，有1个个“”(A15不接不接)，表示为部分译码，表示为部分译码，每个单元占用每个单元占用2个地址。片内译码线有个地址。片内译码线
9、有11根根(A100),片外译码片外译码线有线有4根。其所占用的地址范围如下：根。其所占用的地址范围如下：当当 A 1 5 为为 0 时，所 占 用 地 址 为时，所 占 用 地 址 为 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0010011111111111，即即2000H27FFH。当当 A 1 5 为为 1 时，所 占 用 地 址 为时，所 占 用 地 址 为 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1010011111111111,即即A000HA7FFH。共占用了两组地址，共占用了两组地址，这两组地址在使用中同样有效这两组地址在使用中同
10、样有效单片机原理 7.2 单片机的总线结构单片机的总线结构 当单片机最小系统不能满足系统功能的要求当单片机最小系统不能满足系统功能的要求时时,就需要进行扩展。就需要进行扩展。为了使单片机能方便地与各为了使单片机能方便地与各种扩展芯片连接种扩展芯片连接,常将单片机的外部连线变为一般常将单片机的外部连线变为一般的微型计算机的微型计算机3总线结构形式总线结构形式。对于对于MCS-51系列系列单片机单片机,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:数据总线数据总线:由由P0口提供口提供。此口是双向、此口是双向、输入三输入三态控制的态控制的8位通道口。位通道口。地址总线地址总线:由由P
11、2口提供高口提供高8位地址线位地址线,此口具有此口具有输出锁存的功能输出锁存的功能,能保留地址信息。能保留地址信息。由由P0口提供口提供低低8位地址线位地址线。因为。因为P0口又作为口又作为8位数据线位数据线(分时复分时复用用)，因此，因此，还需要增加一个还需要增加一个8位锁存器位锁存器。单片机原理 7.2 单片机的总线结构单片机的总线结构控制总线控制总线: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,用以实现对用以实现对低低8位地址的锁存位地址的锁存。片外片外程序存储器程序存储器取指信号。取指信号。片外片外数据存储器读数据存储器读信号。信号。片外片外数
12、据存储器写数据存储器写信号。信号。下图为单片机扩展成下图为单片机扩展成3总线结构的示意图。这样一总线结构的示意图。这样一来来,扩展芯片与主机的连接方法同一般扩展芯片与主机的连接方法同一般3总线结构的微总线结构的微型计算机就完全一样了。对于型计算机就完全一样了。对于MCS-51系列单片机而言系列单片机而言,Intel 公司专门为它们配套生产了一些专用外围芯片公司专门为它们配套生产了一些专用外围芯片,使使用起来就更加方便。用起来就更加方便。PSENRDWR单片机原理 7.2 单片机的总线结构单片机的总线结构单片机原理 7.3 常用扩展器件简介常用扩展器件简介单片机原理 7.3 常用扩展器件简介常用
13、扩展器件简介1、8D锁存器锁存器74LS373 74LS373是一种带输出三态门的是一种带输出三态门的8D锁存器，锁存器，其结其结构示意图如下图所示。构示意图如下图所示。其中：其中：1D8D为为8个输入端。个输入端。1Q8Q为为8个输出端。个输出端。G为数据打入端：为数据打入端：当当G为为“1”时，时，锁存器输出状锁存器输出状态态(1Q8Q)同输入状态同输入状态(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。单片机原理 7.3 常用扩展器件简介常用扩展器件简介2、38译码器译码器74LS138 38译码器译码器74LS138为一种常用的地址译码器为一种常用的
14、地址译码器芯片，其管脚图如下图所示。其中，芯片，其管脚图如下图所示。其中，G1、三个控制端，三个控制端，只有当只有当G1为为“”且且 ,均均为为“0”时，译码器才能进行译码输出。否则译码时，译码器才能进行译码输出。否则译码器的器的8个输出端全为高阻状态。个输出端全为高阻状态。译码输入端与输出译码输入端与输出端之间的译码关系如下表所示。端之间的译码关系如下表所示。具体使用时，具体使用时，G1、与与 既可直接接至既可直接接至+5V端或地，也可参与地址译码。但其译码关系必须为端或地，也可参与地址译码。但其译码关系必须为100。需要时也可通过反相器使输入信号符合要求。需要时也可通过反相器使输入信号符合
15、要求。2G A2GB2G A2GB2G A2GB单片机原理 7.3 常用扩展器件简介常用扩展器件简介单片机原理7.3 常用扩展器件简介常用扩展器件简介 3、总线驱动器、总线驱动器74LS244、74LS245 在单片机应用系统中在单片机应用系统中,扩展的扩展的三总线上挂接很多负载三总线上挂接很多负载,如存储器、并行接口、如存储器、并行接口、A/D接口、显示接口等接口、显示接口等,但总线接但总线接口的负载能力有限口的负载能力有限,因此常常需要通过连接总线驱动器因此常常需要通过连接总线驱动器进行总线驱动。进行总线驱动。系统总线中地址总线和控制总线是单向的系统总线中地址总线和控制总线是单向的,因此驱
16、动因此驱动器可以选用单向的器可以选用单向的,如如74LS244。74LS244还带有三态控还带有三态控制制,能实现总线缓冲和隔离。能实现总线缓冲和隔离。系统中的数据总线是双向的系统中的数据总线是双向的,其驱动器也要选用双向其驱动器也要选用双向的的,如如74LS245。74LS245 也是三态的也是三态的,有一个方向控制有一个方向控制端端DIR，DIR=1时输出时输出(AnBn)，DIR=0时输入时输入(AnBn)。单片机原理 7.3 常用扩展器件简介常用扩展器件简介单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 EEPROM芯片每个字节可改写万次以上芯片每个字节可改写万次以上,信息的保存期
17、大于信息的保存期大于10年。年。这种芯片给计算机应用系统带来很大的方便这种芯片给计算机应用系统带来很大的方便,不仅可以修改不仅可以修改参数参数,而且断电后能保存数据。而且断电后能保存数据。它的缺点是价格偏高。它的缺点是价格偏高。自从自从EPROM2716芯片被逐渐淘汰后芯片被逐渐淘汰后,目前比较广泛采用的是目前比较广泛采用的是2764芯片。该芯片容量为芯片。该芯片容量为8K8位，是双列直插式位，是双列直插式28引脚的标准引脚的标准芯片芯片,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
18、时，时，输出缓冲器打开输出缓冲器打开,被寻址被寻址单元的内容才能被读出。与单片机的单元的内容才能被读出。与单片机的 相连。相连。VPP:编程电源编程电源,当芯片编程时当芯片编程时,该端加上编程电压该端加上编程电压(+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。CEOE0OE PSEN单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 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:试用试用EPROM2764构成构成8031的最小系统。的最小系统。解解:
19、由于由于8031无片内程序存储器无片内程序存储器,因此必须外接因此必须外接程序存储器以构成最小系统。其连接的程序存储器以构成最小系统。其连接的关键在于地关键在于地址译码址译码。由于一般所采用的芯片其字节数均超过。由于一般所采用的芯片其字节数均超过256个单元个单元,也就是说片内地址线超过也就是说片内地址线超过8条条,故地址译码的故地址译码的核心问题是核心问题是高高8位地址线的连接位地址线的连接。单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 (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:在下图所示的连接图中在
20、下图所示的连接图中,使用了两片使用了两片2764,一共构成了一共构成了8 K2=16 K的有效地址。现采用线选的有效地址。现采用线选法编址法编址,以以P2.7(A15)直接作为片选信号直接作为片选信号,当当P2.7=0 时时,选中左边选中左边1片片2764,其地址范围为其地址范围为0000H1FFFH;当当P2.7=1 时时,选中右边选中右边1片片 2764,其地址范围为其地址范围为8000H9FFFH。这是部分译码这是部分译码,有有2根地址线未接根地址线未接,1个单元要占用个单元要占用22=4个地址号。以上只是个地址号。以上只是4组地址中的组地址中的1组。若需地址连续的话组。若需地址连续的话
21、,可取如下可取如下1组地址组地址:6000H 7FFFH 和和8000H9FFFH。单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展(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:要求用要求用2764芯片扩展芯片扩展 8031 的片外程序存储器的片外程序存储器空间空间,分配的地址范围为分配的地址范围为 0000H3FFFH。解：本例采用完全译码的方法解：本例采用完全译码的方法,即所有地址线全即所有地址线全部连接部连接,每个单元只占用唯一的每个单元只占用唯一的1个地址。个地址。确定片数确定片数:片数片数
22、=(末地址末地址-首地址首地址)+1 芯片字数芯片字数=(3FFFH-0000H)+12000H=2(片片)单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 分配地址范围分配地址范围:第第1组组(1片片)所占用的地址范围为所占用的地址范围为:0000000000000000 (0000H)0001111111111111 (1FFFH)第第2组组(1片片)所占用的地址范围为所占用的地址范围为:0010000000000000 (2000H)0011111111111111 (3FFFH)单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 画出地址译码关系图画出地址译码关系图:第第1组组 00
23、0XXXXXXXXXXXXXP2.7P2.6P2.5P2.4 P2.0 P0.7 P0.0 A15 A14 A13A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0001XXXXXXXXXXXXX 第第2组组 上面打部分为片内译码上面打部分为片内译码,对于对于2764来说有来说有13位位,其地其地址变化范围为从全址变化范围为从全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。单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 设计外译码电路设计外译码电路:本例只介绍采用译码器芯片的设计方法本例只介绍采用译码器芯片的设计方法,现采现采用用3-8译码器译码
24、器74LS138。片外译码只有片外译码只有3根线根线(P2.7,P2.6,P2.5)，分别接至译码器的分别接至译码器的C、B、A输入端。输入端。控制端控制端G1,不参与译码，不参与译码，接成常有效。接成常有效。如下图所示。如下图所示。2G A2G B单片机原理7.4 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 画出存储器扩展连接图画出存储器扩展连接图:该连接图如下图所示。该连接图如下图所示。单片机原理7.5 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 数据存储器即随机存取存储器数据存储器即随机存取存储器(RAM),用于存用于存放可随时修改的数据信息。它与放可随时修改的数据信息。它与ROM不同不同,对对RAM可以进
25、行读、写两种操作。可以进行读、写两种操作。RAM为易失性存为易失性存储器储器,断电后所存信息立即消失。按其工作方式断电后所存信息立即消失。按其工作方式,RAM又分为又分为静态静态(SRAM)和和动态动态(DRAM)两种。静两种。静态态RAM只要电源加上只要电源加上,所存信息就能可靠保存。所存信息就能可靠保存。静态静态RAM6264是是8 K8位的静态数据存储器芯位的静态数据存储器芯片片,采用采用CMOS工艺制造工艺制造,为为28 引脚双列直插式封装引脚双列直插式封装,其引脚图如下图所示。其引脚图如下图所示。单片机原理7.5 数据存储器的扩展数据存储器的扩展单片机原理7.5 数据存储器的扩展数据
26、存储器的扩展 数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似,不同不同之处主要在于之处主要在于控制信号的接法控制信号的接法不一样不一样,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 端和端和 端相连即可。端相连即可。RDWROEWE所占用的地址为：所占用的地址为：第第1组组 4000H5FFFH(A13=0)第第2组组 6000H7FFFH(A13=1)单片机原理7.5 数据存储器的扩展数据存储器的扩展所占用的地址为：所占用的地址为：2000H3FFFHP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7WRRDOEWECE162
27、648051ALEGOEEA74LS138P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.7P2.6Y1CE25 VI/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0A1A0A2A3A4A6A7A5A8A9A10A11A12单片机原理7.6 程序存储器和数据存储器综合扩展程序存储器和数据存储器综合扩展 现以现以8031为例，说明程序存储器和数据存储器为例，说明程序存储器和数据存储器综合扩展方法，如下图所示。综合扩展方法，如下图所示。8031的片外程序存储的片外程序存储器 和 数 据 存 储 器 的 地 址 各 为器 和 数 据 存 储 器 的 地 址 各 为 6 4 K。若 采 用若 采 用EPROM2764和和RAM6264芯片，则各需芯片，则各需8片才能构片才能构成全部有效地址。芯片的选择采用成全部有效地址。芯片的选择采用38译码器译码器74LS138，片外地址线只有片外地址线只有3根根(A15、A14、A13)，分别接至分别接至74LS138的的C、B、A端，其端，其8路译码输出路译码输出分别接至分别接至8个个2764和和8个个6264的片选端的片选端 。CE单片机原理7.6 程序存储器和数据存储器综合扩展程序存储器和数据存储器综合扩展
