单片机原理任课教师： 朱奇光E-MAIL:zhu7880ysu.edu.cn第七章 MCS-51扩展存储器的设计 7.1 存储器扩展概述 7.2 单片机的总线结构 7.3 常用扩展器件简介 7.4 程序存储器的扩展 7.5 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7.1 存储器扩展概述一、最小应用系统 单片机系统的扩展是以基本的最小系统为 基础的, 故应首先熟悉最小应用系统的结构。 实际上, 内部带有程序存储器的8051或8751单 片机本身就是一个最简单的最小应用系统,许多 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。对于8031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 小应用系统。 7.1 存储器扩展概述(1) 片内带程序存储器的最小应用系统片内带程序存储器的8051、 8751本身即可构 成一片最小系统, 只要将单片机接上时钟电路和复 位电路即可, 同时 接高电平, ALE、 信号 不用, 系统就可以工作。 如图 (a)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芯片构成最小应用系统 时, 必须在片外扩展程序存储器。 由于一般用作 程序存储器的EPROM芯片不能锁存地址, 故扩展 时还应加1个锁存器, 构成一个3片最小系统, 如图 (b)所示。 该图中74LS373为地址锁存器, 用于锁 存低8位地址。7.1 存储器扩展概述7.1 存储器扩展概述二、扩展方法存储器扩展的核心问题是存储器的编址问题。 所谓 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, 为此存储器的编址分为两个层次: 即存储 器芯片的选择和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: 线选法和译码法。 1. 线选法：所谓线选法, 就是直接以系统的地址线作为存 储器芯片的片选信号, 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。 2. 译码法：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, 以其译码输出作为存储器芯片的片选 信号。7.1 存储器扩展概述译码法又分为完全译码和部分译码两种。(1) 完全译码：地址译码器使用了全部地址线， 地 址与存储单元一一对应，也就是1个存储单元只占 用1个唯一的地址。 (2) 部分译码：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， 而是1个存储单 元占用了几个地址。 1根地址线不接， 一个单元 占用2(21)个地址； 2根地址线不接， 一个单元占 用4(22)个地址； 3根地址线不接， 则占用8(23)个 地址， 依此类推。7.1 存储器扩展概述在设计地址译码器电路时， 如果采用地址译码关 系图的话，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 来表示全部地址译码关系的示意图。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； 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。7.1 存储器扩展概述.0 1 0 0 X X X X X X X X X X XA15A14 A13A12 A11A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0在上面的关系图中，有1个“”(A15不接)，表示为部分译码，每 个单元占用2个地址。片内译码线有11根(A100), 片外译码线 有4根。其所占用的地址范围如下：当A15为0时，所占用地址为00100000000000000010011111111111， 即2000H27FFH。当A15为1时，所占用地址为10100000000000001010011111111111, 即A000HA7FFH。共占用了两组地址， 这两组地址在使用中同样有效7.2 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时 , 就需要进行扩展。 为了使单片机能方便地与各种 扩展芯片连接, 常将单片机的外部连线变为一般的 微型计算机3总线结构形式。 对于MCS-51系列单 片机, 其3总线由下列通道口的引线组成: 数据总线: 由P0口提供。 此口是双向、 输入三 态控制的8位通道口。 地址总线: 由P2口提供高8位地址线, 此口具有 输出锁存的功能, 能保留地址信息。 由P0口提供 低8位地址线。因为P0口又作为8位数据线(分时复 用)，因此，还需要增加一个8位锁存器。 7.2 单片机的总线结构控制总线: 扩展系统时常用的控制信号为: ALE地址锁存信号, 用以实现对低8位地址的锁存。 片外程序存储器取指信号。 片外数据存储器读信号。 片外数据存储器写信号。 下图为单片机扩展成3总线结构的示意图。这样一 来, 扩展芯片与主机的连接方法同一般3总线结构的微 型计算机就完全一样了。对于MCS-51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, 使 用起来就更加方便。 7.2 单片机的总线结构7.3 常用扩展器件简介7.3 常用扩展器件简介1、 8D锁存器74LS37374LS373是一种带输出三态门的8D锁存器， 其结 构示意图如下图所示。 其中：1D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。G为数据打入端： 当G为“1”时， 锁存器输出状态 (1Q8Q)同输入状态(1D8D)； 当G由“1”变“0”时， 数据打入锁存器中。 7.3 常用扩展器件简介2、38译码器74LS138 38译码器74LS138为一种常用的地址译码器 芯片，其管脚图如下图所示。其中， G1、三个控制端， 只有当G1为“”且 , 均为 “0”时，译码器才能进行译码输出。否则译码器的8 个输出端全为高阻状态。 译码输入端与输出端之间 的译码关系如下表所示。具体使用时，G1、 与 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 100。需要时也可通过反相器使输入信号符合要求 。7.3 常用扩展器件简介7.3 常用扩展器件简介3、总线驱动器74LS244、 74LS245在单片机应用系统中, 扩展的三总线上挂接很多负载, 如存储器、并行接口、A/D接口、显示接口等, 但总线接 口的负载能力有限, 因此常常需要通过连接总线驱动器 进行总线驱动。系统总线中地址总线和控制总线是单向的, 因此驱动 器可以选用单向的, 如74LS244。 74LS244还带有三态控 制, 能实现总线缓冲和隔离。系统中的数据总线是双向的, 其驱动器也要选用双向 的, 如74LS245 。74LS245 也是三态的, 有一个方向控制 端DIR，DIR=1时输出(AnBn)，DIR=0时输入(AnBn) 。7.3 常用扩展器件简介7.4 程序存储器的扩展EEPROM芯片每个字节可改写万次以上, 信息的保存期大于10 年。 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 参数, 而且断电后能保存数据。 它的缺点是价格偏高。 自从EPROM2716芯片被逐渐淘汰后, 目前比较广泛采用的是 2764芯片。该芯片容量为8K8位，是双列直插式28引脚的标准芯 片,其中: A12A0: 13位地址线。 D7D0: 8位数据线。 : 片选信号, 低电平有效。 : 输出允许信号, 当 时， 输出缓冲器打开, 被寻址 单元的内容才能被读出。与单片机的 相连。 VPP: 编程电源, 当芯片编程时, 该端加上编程电压 (+25 V或 +12 V); 正常使用时, 该端加+5 V电源。7.4 程序存储器的扩展现分3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例: 试用EPROM2764构成8031的最小系统。解: 由于8031无片内程序存储器, 因此必须外接 程序存储器以构成最小系统。其连接的关键在于地 址译码。由于一般所采用的芯片其字节数均超过256 个单元, 也就是说片内地址线超过8条, 故地址译码的 核心问题是高8位地址线的连接。7.4 程序存储器的扩展7.4 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例: 在下图所示的连接图中, 使用了两片2764, 一 共构成了8 K2=16 K的有效地址。现采用线选法编 址, 以P2.7(A15)直接作为片选信号, 当P2.7= 0 时, 选 中左边1片2764, 其地址范围为0000H1FFFH; 当 P2.7=1 时, 选中右边1片 2764 ,其地址范围为 8000H9FFFH。这是部分译码, 有2根地址线未接, 1 个单元要占用22=4个地址号。以上只是4组地址中的 1组。若需地址连续的话, 可取如下1组地址: 6000H 7FFFH 和8000H9FFFH。 7.4 程序存储器的扩展7.4 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。 例3: 要求用2764芯片扩展 8031 的片外程序存储器 空间, 分配的地址范围为 0000H3FFFH。 解：本例采用完全译码的方法, 即所有地址线全 部连接, 每个单元只占用唯一的1个地址。 确定片数: 片数= (末地址-首地址)+1 芯片字数 = (3FFFH-0000H) +12000H =2(片 ) 7.4 程序存储器的扩展 分配地址范围: 第1组(1片)所占用的地址范围为: 0000000000000000 (0000H) 0001111111111111 (1FFFH) 第2组(1片)所占用的地址范围为: 0010000000000000 (2000H) 0011111111111111 (3FFFH)7.4 程序存储器的扩展 画出地址译码关系图: 第1组 0 0 0 X X X X X X X X X X X X XP2.7P2.6P2.5P2.4 P2.0 P0.7 P0.0A15 A14 A13A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0001XXXXXXXXXXXXX第2组 上面打部分为片内译码, 对于2764来说有13位, 其地址 变化范围为从全0变到全1, 其余部分为片外译码。7.4 程序存储器的扩展 设计外译码电路: 本例只介绍采用译码器芯片的设计方法, 现采用 3-8译码器74LS138。片外译码只有3根线(P2.7, P2.6, P2.5)，分别接至译码器的C、 B、 A输入端。 控制 端G1, , 不参与译码， 接成常有效。 如下 图所示。7.4 程序存储器的扩展 画出存储器扩展连接图: 该连接图如下图所示。7.5 数据存储器的扩展数据存储器即随机存取存储器(RAM), 用于存 放可随时修改的数据信息。它与ROM不同, 对RAM 可以进行读、写两种操作。RAM为易失性存储器, 断电后所存信息立即消失。按其工作方式, RAM又 分为静态(SRAM)和动态(DRAM)两种。静态RAM 只要电源加上, 所存信息就能可靠保存。静态RAM6264是8 K8位的静态数据存储器芯 片, 采用CMOS工艺制造, 为28 引脚双列直插式封装 , 其引脚图如下图所示。 7.5 数据存储器的扩展7.5 数据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, 不同 之处主要在于控制信号的接法不一样, 用 和 信号, 且直接与数据存储器的 端和 端相连即可。 所