单片机存储器扩展单片机存储器扩展5.1单片机系统扩展及结构单片机系统扩展及结构单片机扩展的必要性单片机扩展的必要性1.扩展了单片机系统的资源扩展了单片机系统的资源(主要是存储器扩主要是存储器扩展和展和I/O扩展扩展)2.驱动更多种类的外部设备驱动更多种类的外部设备1）信号形式不同）信号形式不同2）信号电平不同）信号电平不同3）速度差异大）速度差异大单片机系统总线及总线构成单片机系统总线及总线构成 所谓总线，就是连接计算机所谓总线，就是连接计算机CPU与各部件的一组与各部件的一组公共信号线。公共信号线。MCS-51使用的是并行总线结构，按功使用的是并行总线结构，按功能分为三组：地址总线，数据总线和控制总线。能分为三组：地址总线，数据总线和控制总线。MCS-51并行总线结构并行总线结构CPU内内部部ROM内内部部ROM内内部部RAM定时定时/计数器计数器并行并行I/O口口中断中断接口接口串行串行I/O口口数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线1数据总线数据总线DB（DataBus）2地址总线地址总线AB（AddressBus）3控制总线控制总线CB（ControlBus）地址总线地址总线AB，P0口提供（口提供（A7A0）；）；P2口提供（口提供（A15A8），），共共16位。位。数据总线数据总线DB，P0口提供（口提供（D7D0），），共共8位。位。控制总线控制总线CB，ALE、等。等。8031单片机总线引脚结构单片机总线引脚结构单片机总线构造单片机总线构造1.数据总线的构造数据总线的构造MCS-51单片机的数据总线是由单片机的数据总线是由P0口提供的，由口提供的，由P0口引出口引出8位线即可作为数据总线。位线即可作为数据总线。2.地址总线的构造地址总线的构造MCS-51单片机地址总线为单片机地址总线为16根，其中高根，其中高8位位P2口口提供，低提供，低8位由位由P0提供。提供。注意：注意：P0口线地址口线地址/数据分时复用，需用地址锁存器数据分时复用，需用地址锁存器74LS373锁存地址。锁存地址。A10A8A7A0D7D0CB3.MCS-51单片机控制总线构造单片机控制总线构造1）RD、WR为读、写信号：为读、写信号：用于片外扩展数据存用于片外扩展数据存贮器及贮器及I/0端口的读写选通信号，当执行外部数据存贮器端口的读写选通信号，当执行外部数据存贮器操作操作MOVX指令时，这两个信号分别自动生成。指令时，这两个信号分别自动生成。WR、RD分别与扩展数据存贮器及分别与扩展数据存贮器及I/0端口的端口的WR、RD相接。相接。2）EA为为片片外外ROM选选通通信信号号：用用于于选选择择片片内内或或片片外外程程序存贮器，当序存贮器，当EA0时，访问片外程序存贮器。时，访问片外程序存贮器。3）PSEN为为外外部部ROM读读选选通通信信号号：用用于于片片外外扩扩展展程程序序存存贮贮器器的的读读选选通通信信号号，执执行行片片外外程程序序存存贮贮器器查查表表指指令令MOVC时时，该该信信号号自自动动生生成成。PSEN与与扩扩展展程程序序存存贮贮器器相相接。接。4）ALE为为地地址址锁锁存存允允许许：用用于于选选通通地地址址锁锁存存器器，通通常常在在P0口口输输出出地地址址期期间间，用用下下降降沿沿触触发发锁锁存存器器锁锁存存低低8位位地地址，即址，即ALE必须与地址锁存器的触发端相连必须与地址锁存器的触发端相连对存储器来讲控制线无非是：芯片的对存储器来讲控制线无非是：芯片的选通选通控制、控制、读写读写控制。控制。单片机与外部器件数据交换要遵循两个重要原则单片机与外部器件数据交换要遵循两个重要原则：一是，地址唯一性，一个单元一个地址。一是，地址唯一性，一个单元一个地址。二是，同一时刻，二是，同一时刻，CPU只能访问一个地址，即只能与一只能访问一个地址，即只能与一个单元交换数据。个单元交换数据。不交换时，外部器件处于锁闭状态，对总线呈浮空状态。不交换时，外部器件处于锁闭状态，对总线呈浮空状态。读读/写写：CPU向外部设备发出的读向外部设备发出的读/写控制命令。写控制命令。EPROM：/OE/PSENSRAM：/WE/WR/OE/RD选通选通：CPU与器件交换数据或信息，需先发出选通信号与器件交换数据或信息，需先发出选通信号/CE或或/CS，以便选中芯片。以便选中芯片。扩展芯片扩展芯片MCS-51单片机扩展芯片可以分为单片机扩展芯片可以分为3类：外部程类：外部程序存贮器序存贮器ROM芯片、外部数据存贮器芯片、外部数据存贮器RAM芯片以芯片以及接口芯片。连接外部设备的扩展芯片称接口芯片，及接口芯片。连接外部设备的扩展芯片称接口芯片，接口芯片上的接口称外接口（相对于并行口、中断接口芯片上的接口称外接口（相对于并行口、中断等内部接口而言）。每个外部接口可有多个端口，等内部接口而言）。每个外部接口可有多个端口，例如数据口、状态口、控制命令口等。许多接口芯例如数据口、状态口、控制命令口等。许多接口芯片同内部中断接口一样可通过写入控制字实现工作片同内部中断接口一样可通过写入控制字实现工作方式等的功能控制，使用灵活、扩大了应用范围，方式等的功能控制，使用灵活、扩大了应用范围，这些芯片称可编程接口芯片。这些芯片称可编程接口芯片。5.2MCS-51存储器编址技术存储器编址技术两个层次：两个层次：1.存储器芯片的选择存储器芯片的选择*2.编址方法：编址方法：3.1)线选法线选法4.直接以系统的地址位作为芯片的片选信号直接以系统的地址位作为芯片的片选信号5.2)译码法译码法6.使使用用译译码码器器对对系系统统的的高高位位地地址址进进行行译译码码，以以其其译译码码输出作为存储芯片的片选信号。输出作为存储芯片的片选信号。7.常常用用译译码码芯芯片片：74LS139(双双2-4译译码码器器)74LS138(3-8译码器译码器)8.2.芯片内部存储单元的编址芯片内部存储单元的编址9.由芯片内的译码电路完成由芯片内的译码电路完成MCS-51存储器的地址编码存储器的地址编码SRAM6116：“16”2K8b=2KB21210=211即即6116有有11根地址线。根地址线。地址空间：地址空间：A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0最低地址：最低地址：000000000000000H最高地址：最高地址：111111111107FFHMCS-51单片机寻址范围：单片机寻址范围：64KB26210=216即即16位地址线位地址线地址空间：地址空间：A15A14A13A12A11A10A9A8A7A0单片机单片机A10A9A8A7A0611625=322KB上式中：上式中：“”表示表示0或或1。即单片机地址空间中包含有即单片机地址空间中包含有32个个2KB。某片某片6116占据的是哪占据的是哪2KB不能确定不能确定地址浮动。地址浮动。只只有有限限定定A15A11的的取取值值才才能能确确定定6116在在系系统统中中的的地地址址范范围围。如如，P2.6=0，选选中中6116的的/CS线线。设设P2.7P2.5P2.4P2.3假定全为假定全为1则则:6116地址范围是地址范围是B800HBFFFH。同理，同理，P2.7P2.5P2.4P2.3假定全为假定全为0则则:6116地址范围是地址范围是0000H07FFH；再设再设P2.7选中选中6116（设（设P26P25P24P23全为全为1） 则：地址范围是则：地址范围是7800H7FFFH23=88KB可见：存储器芯片在系统中地址分布由两个因素决定：可见：存储器芯片在系统中地址分布由两个因素决定：一是，芯片本身的地址线（与容量有关）一是，芯片本身的地址线（与容量有关）二是，芯片选通信号的获得方式。二是，芯片选通信号的获得方式。扩扩展展存存储储器器时时，总总是是让让单单片片机机低低位位地地址址与与存存储储器器芯芯片片地地址址线线相相接接；而而让让单单片片机机剩剩余余的的高高位位地地址址线线（在在P2口口）常常作作为为片片选选信信号号线。线。这种方法对这种方法对SRAM、EPROM、扩展扩展I/O芯片、外设同样适用。芯片、外设同样适用。P2.5=0时，选中时，选中2764；“64”8K8b=23210=213A15A14A13A12A11A0若取若取P2.7P2.6均为均为1；则则2764在本系统内地址范围：在本系统内地址范围：C000HDFFFH可以。此时可以。此时6116：D800HDFFFH2764：C000HDB00H若若6116与与2764都用都用A13（P2.5）选中可否选中可否6116与与2764在在0800HDFFFH范围内地址重范围内地址重叠，这是不是违反交叠，这是不是违反交换原则呢？换原则呢？不会！因为，不会！因为，6116是是SRAM，2764是是EPROM。除地址和选除地址和选通信号外，还有读通信号外，还有读/写控制信号起作用。写控制信号起作用。RAM /WE /WR /OE /RD ROM /OE /PSEN可用来区分二器件小结：小结：1）CPU与外设数据交换的原则是什么？与外设数据交换的原则是什么？2）决定存储器芯片在系统中地址范围的两个因素是）决定存储器芯片在系统中地址范围的两个因素是 什么？什么？5.3MCS-51程序存储器扩展程序存储器扩展MCS-51单片机单片机8031子系列无片内子系列无片内ROM，故必须故必须扩展片外程序存贮器才能应用，而其它子系列单片机扩展片外程序存贮器才能应用，而其它子系列单片机有片内有片内ROM，可不必扩展片外可不必扩展片外ROM即可工作。但对即可工作。但对于需要大容量于需要大容量ROM的系统都必须扩展片外的系统都必须扩展片外ROM。扩展扩展ROM单元芯片与片内单元芯片与片内ROM共用一个存贮空共用一个存贮空间，统一编址。通过查表指令间，统一编址。通过查表指令MOVCA，A+DPTRMOVCA，A+PC可以实现对可以实现对ROM单元的读操作。单元的读操作。一、扩展总线一、扩展总线74LS373是是有有输输出出三三态态门门的的电电平平允允许许8D锁锁存存器器。当当G（使使能能端端）为为高高电电平平时时，锁锁存存器器的的数数据据输输出出端端Q的的状状态态与与数数据据输输入入端端D相相同同（透透明明的的）。当当G端端从从高高电电平平返返回回到到低低电电平平时时（下下降降沿沿后后），输输入入端端的的数数据据就就被被锁锁存存在在锁存器中，数据输入端锁存器中，数据输入端D的变化不再影响的变化不再影响Q端输出。端输出。 GQDGDDDQQQOE:GQDGQD74LS373OEGALE80C31D7:D0Q7:Q0P2P0ABDB二、片外二、片外ROM操作操作时序序 进行行ROM的的扩展，其展，其扩展方法展方法较为简单容易，容易，这是由是由单片机的片机的优良良扩展性能决定的。展性能决定的。单片机的地址片机的地址总线为16位，位，扩展的片外展的片外ROM的最大容量的最大容量为64KB，地址地址为0000HFFFFH。扩展的片外展的片外RAM的最大容的最大容量也量也为64KB，地址地址为0000HFFFFH。由于由于80C51采用不同的控制信号和指令采用不同的控制信号和指令 ，尽管尽管ROM与与RAM的地址是重叠的，也不会的地址是重叠的，也不会发生混乱。生混乱。80C51对片内和片外片内和片外ROM的的访问使用相同的指令，使用相同的指令，两者的两者的选择是由硬件是由硬件实现的。的。 芯片芯片选择现在多采用在多采用线选法，地址法，地址译码法用的法用的渐少。少。ROM与与RAM共享数据共享数据总线和地址和地址总线。访问片外访问片外ROM的时序的时序 ：80C51系列单片机的系列单片机的CPU在访问片外在访问片外ROM的一个机器周期内，的一个机器周期内，信号信号ALE出现两次（正脉冲），出现两次（正脉冲），ROM选通信号也两次有效，选通信号也两次有效，这说明在这说明在一个机器周期内，一个机器周期内，CPU两次访问片外两次访问片外ROM，也即在也即在一个机器周期内可以处理两个字节的指令代码一个机器周期内可以处理两个字节的指令代码，所以在，所以在80C51系列单片机指令系统中有很多单周期双字节指令。系列单片机指令系统中有很多单周期双字节指令。 三、三、ROM芯片及芯片及扩展方法展方法1、EPROM存存储器及器及扩展展常用的芯片有常用的芯片有2732、2764、27128、27256、27512等等。1234567891011121314282726252423222120191817161527642712827256275122764VccPGMNCA8A9A11OEA10CEQ7Q6Q5Q4Q327128VccPGMA13A8A9A11OEA10CEQ7Q6Q5Q4Q327256VccA14A13A8A9A11OEA10CEQ7Q6Q5Q4Q327512VccA14A13A8A9A11OE/VppA10CEQ7Q6Q5Q4Q32764VppA12A7A6A4A4A3A2A1A0Q0Q1Q2GND27256VppA12A7A6A4A4A3A2A1A0Q0Q1Q2GND27128VppA12A7A6A4A4A3A2A1A0Q0Q1Q2GND27512A15A12A7A6A4A4A3A2A1A0Q0Q1Q2GND程序存贮器芯片程序存贮器芯片2716结构结构2716的结构逻辑图如图所的结构逻辑图如图所示。示。ROM芯片内部集成了芯片内部集成了输出缓冲器，地址译码器。输出缓冲器，地址译码器。2716有有2K字节容量，共有字节容量，共有11位地址线。位地址线。OECE/PGM地址输入地址输入地址译码地址译码输出输出缓冲器缓冲器16K位位存储矩阵存储矩阵数据输出数据输出2716信号引脚说明如下：信号引脚说明如下：A0A10为为11位地址线位地址线O0O7为为8位数据线位数据线CE/PGM为双重功能为双重功能控制线控制线0E为输出允许信号为输出允许信号VPP为电源线为电源线Vcc为主电源线，为主电源线，接接+5V电源电源GND为地线为地线27162716信号引脚图信号引脚图程序存贮器芯片工作方式程序存贮器芯片工作方式EPROM有下以几种工作方式，由有下以几种工作方式，由OE、CE/PGM及及VPP各信号状态组合确定。各信号状态组合确定。引引脚脚方式方式CE/PGM OEVPPO7O0读出读出未选中未选中编程编程程序检验程序检验编程禁止编程禁止低低高高正脉冲正脉冲低低低低低低高高低低高高+5V+5V+25V+25V+25V程序读出程序读出高阻高阻程序写入程序写入程序读出程序读出高阻高阻（1）读出方式）读出方式CPU从从EPROM中中读读取取代代码码，为为单单片片机机应应用用系系统统的的工工作作方方式式。此此时时CE、OE均均为低电平，为低电平，VPP5V（2）维持方式维持方式即即未未选选中中状状态态，此此时时CE为为高高电电平平，数数据据输输出出为为高高阻阻状状态态，功功耗耗下下降降75，处处于低功率维持状态于低功率维持状态（3）编程方式）编程方式把把程程序序代代码码固固化化到到EPROM中中。VPP端端加加+25V高高压压，OE高高电电平平。每每当当CE/PGM端出现脉冲时，写入一个存贮单元信息。端出现脉冲时，写入一个存贮单元信息。（4）编程校验方式）编程校验方式即即检检查查编编程程写写入入的的信信息息是是否否正正确确，通通常常紧紧跟跟编编程程之之后后。VPP+25V，CE及及OE为低电平。为低电平。（5）编程禁止方式）编程禁止方式2716不但可单片编程，也允许多片同时编程，好把同样信息并行写入多片不但可单片编程，也允许多片同时编程，好把同样信息并行写入多片2716中。多片编程时，若要写入各片的数据不尽相同，可使某片或某几片芯片中。多片编程时，若要写入各片的数据不尽相同，可使某片或某几片芯片处于编程状态或编程禁止状态，当处于编程状态或编程禁止状态，当CE/PGM信号加低电平时，该芯片处于编程信号加低电平时，该芯片处于编程禁止状态，不写入数据。禁止状态，不写入数据。程序存贮器的扩展程序存贮器的扩展1单片程序存贮器的扩展单片程序存贮器的扩展（1）数据线）数据线2716的数据线的数据线O0O7直接与直接与8031的的P0口相应位相连。口相应位相连。（2）地址线）地址线程程序序存存贮贮器器ROM芯芯片片内内部部集集成成着着地地址址译译码码器器，可可以以根根据据从从片片外外输输入入的地址信号直接找到相应的地址单元。的地址信号直接找到相应的地址单元。（3）控制线）控制线OE与与8031的的PSEN相相连连，以以实实现现单单片片机机执执行行MOVC指指令令时时的的工工作作选通和与选通和与CPU的同步。的同步。CE接地，表示始终选通。接地，表示始终选通。8031的的ALE与与74LS373的触发端的触发端G相连，以实现相连，以实现P0口的分时复用。口的分时复用。8031的的EA端接地，表示始终使用片外端接地，表示始终使用片外ROM。ALEP2.2P2.0PSENVSS8838888OED7D0GGNDO7O0VCC74LS373+5VVCCA7A0VSSA10A8O7O0OECE2716P2.3EA2多片程序存贮器的扩展多片程序存贮器的扩展1）各）各ROM芯片的数据线并行连接。芯片的数据线并行连接。2）各各芯芯片片的的地地址址线线并并行行连连接接。2764芯芯片片内内有有8KBROM单元，共有单元，共有13根地址线。根地址线。3）各芯片的控制信号）各芯片的控制信号PSEN并行连接。并行连接。4）各各芯芯片片的的片片选选信信号号CE是是不不同同的的，需需要要分分别别产产生生。P2.5P0ALE8031PP242.074LS373GA70CEO70A128A128O70A7027642764OEOECEPSENEAP2.5P0ALE8031PP2.42.074LS373GA70CEO70A128A128O70A7027642764OEOECEPSEN单片机扩展两片程序寄存器单片机扩展两片程序寄存器EAP2.6.b)EPROM存储器扩展电路：存储器扩展电路：2764AEPROM扩展电路扩展电路27128AEPROM扩展电路扩展电路 2、EEPROM存储器及扩展存储器及扩展EEPROM是一种电擦除可编程只读存储器，其主要特点是是一种电擦除可编程只读存储器，其主要特点是能在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保能在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保持修改的结果。因而在智能化仪器仪表、控制装置等领域持修改的结果。因而在智能化仪器仪表、控制装置等领域得到普遍采用。常用的得到普遍采用。常用的EEPROM芯片有芯片有2864、2817等等。123456789101112131428272625242322212019181716152817AVccWENCA8A9A11OEA10CEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3RDY/BUSYA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND123456789101112131428272625242322212019181716152864AVccWENCA8A9A11OEA10CEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12817A EEPROM扩展22864AEEPROM扩展扩展5.4MCS-51数据存数据存储器器扩展展 读出指令为： MOVX A，Ri MOVX A，DPTR 写入指令为： MOVX Ri ，A MOVX DPTR，A一、一、RAM扩展原理展原理扩展展RAM和和扩展展ROM类似，由似，由P2口提供高口提供高8位地址，位地址，P0口分口分时地作地作为低低8位地址位地址线和和8位双向数据位双向数据总线。外。外部部RAM读时序序为：外部外部RAM写时序为：写时序为：S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2输出输出PCH输出输出DPHPCLDPL第第1个机器周期个机器周期第第2个机器周期个机器周期ALEPSENP2口口P0口口指令指令数据出数据出输出输出PCHPCL指令指令WR二、二、RAM扩展方法扩展方法1、数据存储器、数据存储器常用的数据存储器常用的数据存储器SRAM芯片有芯片有6116626462256等。等。123456789101112131428272625242322212019181716156264VccWECSA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D3NCA12A7A6A4A4A3A2A1A0D0D1D2GNDNCA12A7A6A4A4A3A2A1A0D0D1D2GNDA14A12A7A6A4A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccWEA13A8A9A11OEA10CED7D6D5D4D3VccWEA13A8A9A11OE/RFSHA10CED7D6D5D4D3622566212862646266621286225612345678910111224232221201918171615141361166212862256A7A6A4A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccA8A9WEOEA10CED7D6D5D4D36116数据存贮器扩展芯片数据存贮器扩展芯片6264各引脚说明如下：各引脚说明如下：A0A12为地址线为地址线O0O7为数据线为数据线CE1为片选信号为片选信号1CE2为片选信号为片选信号2OE为数据输出允许信号（读选通信号）为数据输出允许信号（读选通信号）WE为写选通信号为写选通信号VCC为电源（为电源（+5V）GND为地线为地线12345678910111213142827262524232221201918171615NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GND03O4O5O6O7CE1A01OEA11A9A8CEWEVCC6264数据存储器引脚图工作方式WECE1CE2 OE D0D7 未选中输出禁止读写11010000111101高阻高阻输出数据写入数据6264工作方式2、数据存储器扩展电路、数据存储器扩展电路OE6264A7:A0A8-A12D0D774LS373OEGALE80C31D7:D0Q7:Q0RDEAP2.0-P2.4P0CS+5VWEWRP2.7CEP2.5P0ALE8031PP2.42.074LS373GA70CEO70A128A128O70A7062646264OEOECEPSENEAP2.6WRRD&WEWE可读写程序存储器电路可读写程序存储器电路第第5章章单片机存储器扩展单片机存储器扩展5.1MCS-51单片机系统扩展与结构单片机系统扩展与结构5.2MCS-51单片机存储器扩展与编址技术单片机存储器扩展与编址技术5.3MCS-51单片机程序存储器扩展单片机程序存储器扩展5.4MCS-51单片机单片机数据存储器扩展数据存储器扩展5.5存储器综合扩展存储器综合扩展5.6MCS-51单片机单片机存储器系统的特点与使用存储器系统的特点与使用内容提要内容提要: