第8章 MCS-51单片机扩展存储器的设计 8.1 概述 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。 本章介绍MCS 51单片机如何扩展外部存储器，I/O接 口部件的扩展下一章介绍。 系统扩展结构如下图: MCS-51单片机外部存储器结构:哈佛结构 。 MCS-96单片机的存储器结构:普林斯顿结构。 MCS-51数据存储器和程序存储器的最大扩展空间各为 64KB。 系统扩展首先要构造系统总线。 8.2 系统总线及总线构造 8.2.1 系统总线 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） 2.数据总线(Data Bus，简写DB) 3.控制总线（Control Bus，简写CB） 8.2.2 构造系统总线 系统扩展的首要问题: 构造系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储器芯 片或I/O接口芯片，“挂”存储器芯片就是存储器扩展 ，“挂”I/O接口芯片就是I/O扩展。 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，需要外加地址锁存器，从而构 成与一般CPU相类似的片外三总线，见图8-2。 地址锁存器一般采用74LS373，采用74LS373的地址总 线的扩展电路如下图(图8-3)。 1.以P0口作为低8位地址/数据总线。 2以P2口的口线作高位地址线。 3.控制信号线。 *使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。 *以PSEN*信号作为扩展程序存储器的读选通信号。 *以EA*信号作为内外程序存储器的选择控制信号。 *由RD*和WR*信号作为扩展数据存储器和I/O口的 读选通、写选通信号。 尽管MCS-51有4个并行I/O口，共32条口线，但由于系 统扩展需要，真正作为数据I/O使用的，就剩下P1 口和P3口的部分口线。 8.2.3 单片机系统的串行扩展技术 优点：串行接口器件体积小，与单片机接口时需要的 I/O口线很少（仅需3-4根），提高可靠性。 串行扩展可以减少芯片的封装引脚，降低成本，简化 了系统结构，增加了系统扩展的灵活性。为实现串 行扩展，一些公司（例如PHILIPS和ATMEL公司等） 已经推出了非总线型单片机芯片，并且具有SPI（ Serial Periperal Interface）三线总线和I2C公 用双总线的两种串行总线形式。与此相配套，也推 出了相应的串行外围接口芯片。 缺点:串行接口器件速度较慢 在大多数应用的场合，还是并行扩展占主导地位。 8.3 读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器 8.3.1 存储器扩展的读写控制 RAM芯片：读写控制引脚，记为OE*和WE* ，与MCS-51 的RD*和WR*相连。 EPROM芯片：只能读出，故只有读出引脚，记为OE* ， 该引脚与MCS-51的PSEN*相连。 8.3.2 存储器地址空间分配 MCS-51发出的地址是用来选择某个存储器单元进行读 写， 要完成这种功能，必须进行两种选择： “片选”和 “单 元选择”。 存储器空间分配除考虑地址线连接外，还讨论各存储 器芯片在整个存储空间中所占据的地址范围， 常用的存储器地址分配的方法有两种：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 直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接 口芯片）的片选信号。 优点：电路简单，不需要地址译码器硬件，体积小 ， 成本低。 缺点：可寻址的器件数目受到限制，地址空间不连 续，地址不唯一。 例 某一系统，需要外扩8KB的EPROM（2片2732），4KB 的RAM（2片6116），这些芯片与MCS-51单片机地址 分配有关的地址线连线，电路如下图。 2732:4KB程序存储器，有12根地址线A0A11，分别与 单片机的P0口及P2.0P2.3口相连。2732（1）的片 选端接A15（P2.7），2732（2）的片选端接A14（ P2.6）。 当要选中某个芯片时，单片机P2口对应的片选信号引 脚应为低电平，其它引脚一定要为高电平。 6116:2KB数据存储器，需要11根地址线作为单元的选 择，而剩下的P2口线（P2.4P2.7）作为片选线。 两片程序存储器的地址范围： 2732（1）的地址范围：7000H7FFFH; 2732（2）的地址范围: B000HBFFFH; 6116（1）的地址范围：E800HEFFFH; 6116（2）的地址范围：D800HDFFFH。 线选法特点：简单明了，不需另外增加硬件电路。只 适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统。 2. 译码法 最常用的译码器芯片：74LS138（3-8译码器）74LS139 （双2-4译码器）74LS154（4-16译码器）。可根据 设计任务的要求，产生片选信号。 全译码：全部高位地址线都参加译码； 部分译码：仅部分高位地址线参加译码。 (1)74LS138（38译码器） 引脚如图8-5，译码功能如表8-1（P167）所示。当译 码器的输入为某一个固定编码时，其输出只有某一 个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。 74LS138译码器真值表 输 入 输 出 G1 G2A* G2B* C B A Y7* Y6* Y5* Y4* Y3* Y2* Y1* Y0* ( 2) 74LS139（双2-4译码器） 引脚如下图。真值表如表8-2（P168）所示。 下面以74LS138为例, 介绍如何进行地址分配。 例 要扩8片8KB的RAM 6264，如何通过74LS138把64KB 空间分配给各个芯片？ 采用的是全地址译码方式，单片机发地址码时，每次 只能选中一个存储单元。同类存储器间不会产生地 址重叠的问题。 如果用74LS138把64K空间全部划分为每块4KB，如何 划分呢？见下图。 8.3.3 外部地址锁存器 常用的地址锁存器芯片有: 74LS373、8282、74LS573 等。 1. 锁存器74LS373 带有三态门的8D锁存器,其引脚其内部结构如下图。 引脚说明如下: D7D0: 8位数据输入线。 Q7Q0: 8位数据输出线。 G:数据输入锁存选通信号, OE*: 数据输出允许信号 2. 锁存器8282 功能及内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚的排 列与74LS373不同 ，8282的引脚如下图。 引脚的排列为绘制印刷电路板时的布线提供了方便。 3锁存器74LS573 输入的D端和输出的Q端也是依次排在芯片的两侧，与 锁存器8282一样，为绘制印刷电路板时的布线提供 了方便。 8.4 程序存储器EPROM的扩展 采用只读存储器，非易失性。 （1）掩膜ROM 在制造过程中编程。成本较高，因此只适合于 大批量生产。 （2）可编程ROM（PROM） 用独立的编程器写入。但PROM只能写入一次， 且不能再修改。 （3）EPROM 电信号编程，紫外线擦除的只读存储器芯片。 （4）E2PROM（ EEPROM） 电信号编程，电信号擦除的ROM芯片。读写操作与RAM 几乎没有什么差别，只是写入的速度慢一些。但断 电后能够保存信息。 （5）Flash ROM 又称闪烁存储器，简称闪存。大有取代E2PROM的趋势 。 8.4.1 常用EPROM芯片介绍 典型芯片是27系列产品，例如， 2764（8KB8）、 27128（16KB8）、27256（32KB8）、27512（ 64KB8）。 “27”后面的数字表示其位存储容量。 扩展程序存储器时，应尽量用大容量的芯片。 1.常用的EPROM芯片 参数见表8-4（P123）。引脚如下图。 引脚功能如下： A0A15：地址线引脚。数目决定存储容量来定，用 来进行单元选择。 D7D0：数据线引脚 CE*：片选输入端 OE* ：输出允许控制端 PGM*：编程时，加编程脉冲的输入端 Vpp：编程时，编程电压（+12V或+25V）输入端 Vcc：+5V，芯片的工作电压。 GND：数字地。 NC：无用端 2. EPROM芯片的工作方式 （1）读出方式 片选控制线为低,同时输出允许控制线为低，Vpp 为+5V，指定地址单元的内容从D7D0上读出。 （2）未选中方式 片选控制线为高电平。 （3）编程方式 Vpp端加上规定高压, CE*和OE*端加合适电平( 不同的芯片要求不同)，就能将数据线上的数据写 入到指定的地址单元。 （4）编程校验方式 （5）编程禁止方式 输出呈高阻状态，不写入程序。 8.4.2 程序存储器的操作时序 1. 访问程序存储器的控制信号 （1）ALE （2）PSEN* （3）EA* 如果指令是从片外EPROM中读取，ALE用于低8位地址 锁存，PSEN*接外扩EPROM的OE*脚。 P0口:分时低8位地址总线和数据总线，P2口:高8位地 址线。 2. 操作时序 (1) 应用系统中无片外RAM (2) 应用系统中接有片外RAM 由图(b)可看出： （1）将ALE用作定时脉冲输出时，执行一次MOVX指令 就会丢失一个脉冲。 （2）只有在执行MOVX指令时的第二个机器周期期间， 地址总线才由数据存储器使用。 8.4.3 典型的EPROM接口电路 1.使用单片EPROM的扩展电路 2716、2732 EPROM价格贵，容量小，且难以买到。 仅介绍2764、27128、27256、27512芯片的接口电路。 下图为外扩16K字节的EPROM 27128的接口电路图 。 MCS-51外扩单片32K字节的EPROM 27256的接口。 程序存储器所占的地址空间，自己分析。 3. 使用多片EPROM的扩展电路 MCS-51扩展4片27128。 4片27128各自所占的地址空间，自己分析。 8.5 静态数据存储器的扩展 8.5.1 常用的静态RAM（SRAM）芯片 典型型号有:6116、6264、62128、62256。+5V电源供 电，双列直插封装，6116为24引脚封装，6264、 62128、62256为28引脚封装，引脚如下图。 各引脚功能如下: A0A14：地址输入线。 D0D7：双向三态数据线。 CE*：片选信号输入。对于6264芯片，当26脚(CS)为 高电平时,且CE*为低电平时才选中该片。 OE*：读选通信号输入线。 WE*：写允许信号输入线，低电平有效。 Vcc：工作电源+5V GND：地 有读出、写入、维持三种工作方式，这些工作方式的 操作控制如表8-6(P181)。 8.5.2 外扩数据存储器的读写操作时序 1.读片外RAM操作时序 2. 写片外RAM操作时序 写是CPU主动把数据送上P0口总线。故在时序上，CPU 先向P0口总线上送完8位地址后，在S3状态就将数据 送到P0口总线。 8.5.3 典型的外扩数据存储器的接口电路 图8-21给出了用线选法扩展8031外部数据存储器的电 路。 地址线为A0A12，故8031剩余地址线为三根。用线 选法可扩展3片6264。3片6264对应的存储器空间如 下表。 译码选通法扩展,如下图所示。 各片62128地址分配见表8-9。 表8-9 各片62128地址分配 P2.6 P2.7 译码输出 选中芯片 地址范围 存储容量 0 0 YO* IC1 0000H-3FFFH 16K 0 1 Y1* IC2 4000H-7FFFH 16K 1 0 Y2* IC3 8000H-BFFFH 16K 1 1 Y3* IC4 C000H-FFFFH 16K 单片62256与8031的接口电路如图8-23所示。地址范 围为0000H7FFFH。 例8-1 编写程序将片外数据存储器中5000H50FFH单元 全部清零。 方法1： 用DPTR作为数据区地址指针，同时使用字节计数器。