ATC單片機系統(tǒng)擴展

1、第7章 AT89C51單片機系統(tǒng)擴展U 難點· 存儲器擴展的編址技術 · 系統(tǒng)總線的構成 · 程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器的擴展 要求   掌握：· 存儲器擴展的編址技術 · 系統(tǒng)總線的擴展形成 · 擴展存儲器與單片機的應用連接 了解： · 存儲器的分類 · 存儲器的性能指標 · 訪問外部程序、數(shù)據(jù)存儲器的時序過程 7.1 存儲器系統(tǒng)基本知識7.2 系統(tǒng)擴展概述7.2 訪問外部程序、數(shù)據(jù)存儲器的時序7.3 存儲器擴展的編址技術7.4 程序存儲器（EPROM）的擴展7.5 數(shù)據(jù)存儲器的擴展7.1 存儲器

2、系統(tǒng)基本知識7.1.1存儲器的分類按照存儲介質不同，可以將存儲器分為半導體存儲器、磁存儲器、激光存儲器。這里我們只討論構成內(nèi)存的半導體存儲器。按照存儲器的存取功能不同，半導體存儲器可分為只讀存儲器（Read Only Memory 簡稱ROM）和隨機存儲器（Random Access Memory 簡稱RAM）1.         只讀存儲器（ROM） ROM的特點是把信息寫入存儲器以后，能長期保存，不會因電源斷電而丟失信息。計算機在運行過程中，只能讀出只讀存儲器中的信息，不能再寫入信息。一般地，只讀存儲器用來存放

3、固定的程序和數(shù)據(jù)，如微機的監(jiān)控程序、匯編程序、用戶程序、數(shù)據(jù)表格等。根據(jù)編程方式的不同，ROM共分為以下5種： (1)掩模工藝ROM 這種ROM是芯片制造廠根據(jù)ROM要存貯的信息，設計固定的半導體掩模版進行生產(chǎn)的。一旦制出成品之后，其存貯的信息即可讀出使用，但不能改變。這種ROM常用于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本比較低。微型機中一些固定不變的程序或數(shù)據(jù)常采用這種ROM存貯。 (2)可一次性編程ROM（PROM） 為了使用戶能夠根據(jù)自己的需要來寫ROM，廠家生產(chǎn)了一種PROM。允許用戶對其進行一次編程寫入數(shù)據(jù)或程序。一旦編程之后，信息就永久性地固定下來。用戶可以讀出和使用，但再也無法改變其內(nèi)容。 (3)紫

4、外線擦除可改寫ROM（EPROM） 可改寫ROM芯片的內(nèi)容也由用戶寫入，但允許反復擦除重新寫入。EPROM是用電信號編程而用紫外線擦除的只讀存儲器芯片。在芯片外殼上方的中央有一個圓形窗口，通過這個窗口照射紫外線就可以擦除原有的信息。由于陽光中有紫外線的成分，所以程序寫好后要用不透明的標簽封窗口，以避免因陽光照射而破壞程序。EPROM的典型芯片是Intel公司的27系列產(chǎn)品，按存儲容量不同有多種型號，例如2716（2KB´8）、2732（4KB´8）、2764（8KB´8）、27128（16KB´8）、27256（32KB´8）等，型號名稱后的數(shù)

5、字表示其存儲容量。 (4)電擦除可改寫ROM（EEPROM或E2PROM） 這是一種用電信號編程也用電信號擦除的ROM芯片，它可以通過讀寫操作進行逐個存儲單元讀出和寫入，且讀寫操作與RAM存儲器幾乎沒有什么差別，所不同的只是寫入速度慢一些。但斷電后卻能保存信息。典型E2PROM芯片有28C16、28C17、2817A等。 (5)快擦寫ROM（flash ROM） E2PROM雖然具有既可讀又可寫的特點，但寫入的速度較慢，使用起來不太方便。而flash ROM是在EPROM和E2PROM的基礎上發(fā)展起來的一種只讀存儲器，讀寫速度都很快，存取時間可達70ns，存儲容量可達16MB128MB。這種芯

6、片可改寫次數(shù)可從1萬次到100萬次。典型flash ROM芯片有28F256、28F516、AT89等。 2. 隨機存儲器RAM（也叫讀寫存儲器） 讀寫存儲器RAM按其制造工藝又可以分為雙極型RAM和金屬氧化物RAM。 (1) 雙極型RAM 雙極型RAM的主要特點是存取時間短，通常為幾到幾十納秒（ns）。與下面提到的MOS型RAM相比，其集成度低、功耗大，而且價格也較高。因此，雙極型RAM主要用于要求存取時間短的微型計算機中。 (2) 金屬氧化物（MOS）RAM 用MOS器件構成的RAM又分為靜態(tài)讀寫存儲器（SRAM）和動態(tài)讀寫存儲器（DRAM）。 j靜態(tài)RAM（SRAM） 靜態(tài)RAM的基本存

7、儲單元是MOS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。一個觸發(fā)器可以存儲一個二進制信息。靜態(tài)RAM的主要特點是，其存取時間為幾十到幾百納秒（ns），集成度比較高。目前經(jīng)常使用的靜態(tài)存儲器每片的容量為幾KB到幾十KB。SRAM的功耗比雙極型RAM低，價格也比較便宜。 k動態(tài)RAM（DRAM）動態(tài)RAM的存取速度與SRAM的存取速度差不多。其最大的特點是集成度特別高。其功耗比SRAM低，價格也比SRAM便宜。DRAM在使用中需特別注意的是，它是靠芯片內(nèi)部的電容來存貯信息的。由于存貯在電容上的信息總是要泄漏的，所以，每隔2ms到4ms，DRAM要求對其存貯的信息刷新一次。 l集成RAM（i RAM） 集成RAMIntegra

8、ted RAM，縮寫為i RAM，這是一種帶刷新邏輯電路的DRAM。由于它自帶刷新邏輯，因而簡化與微處理器的連接電路，使用它和使用SRAM一樣方便。 m非易失性RAM（NVRAM） 非易失性RAMNon-Volatile RAM，縮寫為NVRAM，其存儲體由SRAM和EEPROM兩部分組合而成。正常讀寫時，SRAM工作；當要保存信息時（如電源掉電），控制電路將SRAM的內(nèi)容復制到EEPROM中保存。存入EEPROM中的信息又能夠恢復到SRAM中。 NVRAM既能隨機存取，又具有非易失性，適合用于需要掉電保護的場合。 7.1.2存儲器的主要性能指標1.   存貯容量 不同的存

9、儲器芯片，其容量不一樣。通常用某一芯片有多少個存貯單元，每個存貯單元存貯若干位來表示。例如，靜態(tài)RAM6264的容量為8KB´8bit，即它有8K個單元（1K1024），每個單元存貯8位（一個字節(jié)）數(shù)據(jù)。 2.   存取時間 存取時間即存取芯片中某一個單元的數(shù)據(jù)所需要的時間。在計算機工作時，CPU在讀寫RAM時，它所提供的讀寫時間必須比RAM芯片所需要的存取時間長。如果不能滿足這一點，微型機則無法正常工作。 3.   可靠性 微型計算機要正確地運行，必然要求存儲器系統(tǒng)具有很高的可靠性。內(nèi)存的任何錯誤就足以使計算機無法工作。而

10、存儲器的可靠性直接與構成它的芯片有關。目前所用的半導體存儲器芯片的平均故障間隔時間（MTBF）大概是（5´1061´108）小時左右。 4.   功耗 使用功耗低的存儲器芯片構成存儲器系統(tǒng)，不僅可以減少對電源容量的要求，而且還可以提高存貯系統(tǒng)的可靠性。7.2 訪問外部程序、數(shù)據(jù)存儲器的時序 單片機通過外部三總線來訪問外部存儲器，其過程可用CPU操作時序來說明。7.2.1訪問外部程序存儲器時序控制信號有ALE和 ，P0與P2口用作16位地址線，P0口作8位數(shù)據(jù)線(傳送指令代碼)。操作時序如圖7.2所示，其操作過程如下。(1) 在S1P2時刻產(chǎn)生A

11、LE信號。 (2) 由P0、P2口送出16位地址，由于P0口送出的低8位地址只保持到S2P2，所以要利用ALE的下降沿信號將P0口送出的低8位地址信號鎖存到地址鎖存器中。而P2口送出的高8位地址在整個讀指令的過程中都有效，因此不需要對其進行鎖存。從S2P2起，ALE信號失效。 (3) 從S3P1開始， 開始有效，對外部程序存儲器進行讀操作，將選中的單元中的指令代碼從P0口讀入，S4P2時刻， 失效。(4) 從S4P2后開始第二次讀入，過程與第一次相似。圖7.2 MCS-51系列單片機訪問外部程序存儲器的時序圖 7.2.2訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時序對外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問是通過執(zhí)行MOVX指令來實現(xiàn)的

12、，MOVX指令是一種單字節(jié)雙周期指令，從取指到執(zhí)行需要2個機器周期的時間。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時序，分為讀時序和寫時序兩種?？刂菩盘栍玫紸LE、 、 ，P0、P2口作16位地址線，P0口作8位數(shù)據(jù)線。讀和寫兩種操作過程是基本相同的，惟一的不同之處是，讀時序用到的是 信號，寫時序用到的是 信號。下面以讀時序為例進行介紹，其相應的操作時序如圖7.3所示。圖7.3 MCS-51系列單片機訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時序圖      訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的操作過程如下： (1) 從第1次ALE有效到第2次ALE開始有效期間，P0口送出外部ROM單元的低8位地址，P2口送出

13、外部ROM單元的高8位地址，并在 有效期間，讀入外部ROM單元中的指令代碼。 (2) 在第2次ALE有效后，P0口送出外部RAM單元的低8位地址，P2口送出外部RAM單元高8位地址。 (3) 在第2個機器周期，第1次ALE信號不再出現(xiàn)，此時 也失效，并在第2個機器周期的S1P1時， 信號開始有效，從P0口讀入選中RAM單元中的內(nèi)容。7.3 存儲器擴展的編址技術進行存儲器擴展時，可供使用的編址方法有兩種，即：線選法和譯碼法。7.3.1線選法所謂線選法，就是直接以系統(tǒng)的地址作為存儲芯片的片選信號，為此只需把高位地址線與存儲芯片的片選信號直接連接即可。特點是簡單明了，不需增加另外電路。缺點是存儲空間

14、不連續(xù)。適用于小規(guī)模單片機系統(tǒng)的存儲器擴展?！纠?-1】現(xiàn)有2K*8位存儲器芯片，需擴展8K*8位存儲結構采用線選法進行擴展。    擴展8KB的存儲器結構需2KB的存儲器芯片4塊。2K的存儲器所用的地址線為A0A10共11根地址線和片選信號與CPU的連接如表5-1所示。表5-1 80C51與存儲器的線路連接 80C51存儲器 P0口經(jīng)鎖存器鎖存形成A0A7 與A0A7相連 P2.0、P2.1、P2.2 與A8A10相連 P0口 與D0D7相連 P2.3 與存儲器1的片選信號 相連 P2.4 與存儲器2的片選信號 相連 P2.5 與存儲器3的片選信號 相連 P2.

15、6 與存儲器3的片選信號 相連     擴展存儲器的硬件連接如圖7.4所示。圖7.4 線選法連線圖 這樣得到四個芯片的地址分配如表5-2所示 表5-2所示 線選方式地址分配表   A15 A14 A13 A12 A11 A10 . A0 地址范圍 芯片1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 . 0 1 . 1 7000H-77FFH 芯片2 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0           . 0 1   

16、;        . 1 6800H-6FFFH 芯片3 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0           . 0 1           . 1 5800H-5FFFH 芯片4 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0        

17、;   . 0 1           . 1 3800H3FFFH 7.3.2譯碼法所謂譯碼法就是使用譯碼器對系統(tǒng)的高位地址進行譯碼，以其譯碼輸出作為存儲芯片的片選信號。這是一種最常用的存儲器編址方法，能有效地利用空間，特點是存儲空間連續(xù)，適用于大容量多芯片存儲器擴展。常用的譯碼芯片有：74LS139（雙24譯碼器）和74LS138（38譯碼器）等，它們的CMOS型芯片分別是74HC139和74HC138。l     

18、60;   74LS139譯碼器74LS139是24譯碼器，即對2個輸入信號進行譯碼，得到4個輸出狀態(tài)。其中：  為使能端，低電平有效。A、B為選擇端，即譯碼信號輸入。 為譯碼輸出信號，低電平有效。74LS139的真值表如表5-3所示。表5-374LS139真值表 輸 入 端 輸 出 端 使能 選擇 G B A 1 0 0 0 0 × 0 0 1 1 × 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 l        

19、; 74LS138譯碼器74LS138是38譯碼器，即對3個輸入信號進行譯碼，得到8個輸出狀態(tài)。其中：G1、 、 為使能端，用于引入控制信號。 、 低電平有效，G1高電平有效。                    圖7.5 譯碼器管腳圖                

20、    74LS138的真值表如表5-4所示。輸入端 輸出端 使能 選擇 G1 G2A G2B C B A 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 有一不滿足條件

21、 × × × 1 1 1 1 1 1 1 1   【例5-2】現(xiàn)有2K*8位存儲器芯片，需擴展8K*8位存儲結構采用譯碼法進行擴展。擴展8KB的存儲器結構需2KB的存儲器芯片4塊。2K的存儲器所用的地址線為A0A10共11根地址線和片選信號與CPU的連接如表5-5所示。                  表5-5 80C51與存儲器的線路連接80C51存儲器 P0口經(jīng)鎖存器鎖存形成A0A

22、7 與A0A7相連 P2.0、P2.1、P2.2 與A8A10相連 P0口 與D0D7相連 P2.4 P2.3 譯碼輸出與存儲器的片選信號連接 0 0 與存儲器1的片選信號 相連 0 1 與存儲器2的片選信號 相連 1 0 與存儲器3的片選信號 相連 1 1 與存儲器4的片選信號 相連 P2.3、P2.4作為二-四譯碼器的譯碼地址，譯碼輸出作為擴展4個存儲器芯片的片選信號，P2.5、P2.6、P2.7懸空。擴展連線圖如圖7.7所示。            圖7.7 采用譯碼器擴展8KB

23、存儲器連線圖這樣得到四個芯片的地址分配如表5-6所示。表5-6 譯碼方式地址分配表   P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 . P0 地址范圍 芯片1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 1 . 1 0000H-07FFH 芯片2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 . 0 1 . 1 0800H-0FFFH 芯片3 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 . 0 1 . 1 1000H-17FFH 芯片4 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 . 0 1 . 1 1800H1FFFH 7.4 程序存儲器（EPROM）的擴展單

24、片機在原理設計上程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的地址空間是相互獨立的，而且程序存儲器一般采用EPROM芯片，最大可擴展到64KB字節(jié)。7.7.1 程序存儲器擴展使用的典型芯片     以2764作為單片機程序存儲器擴展的典型芯片為例進行說明。1 2764的引線 2764是一塊8K×8bit的EPROM芯片，其管腳圖如圖7.8所示·A12A0¾¾13位地址信號輸入線，說明芯片的容量為8K213個單元。·D7D0 ¾¾8位數(shù)據(jù)，表明芯片的每個存貯單元存放一個字節(jié)（8位二進制數(shù)）。· 為輸

25、入信號。當它有效低電平時，能選中該芯片，故 又稱為選片信號。· 為輸出允許信號。當 為低電平時，芯片中的數(shù)據(jù)可由D7D0輸出。· 為編程脈沖輸入端。當對EPROM編程時，由此加入編程脈沖。讀時 為高電平。圖7.8 EPROM2764管腳圖 圖7.9 SRAM6264管腳圖2 2764的連接使用  ·地址線的連接存儲器高5位地址線A8A12«直接和P2口（P2.0P2.4）一一相連。存儲器低8位地址線A7A0«由P0口經(jīng)過地址鎖存器鎖存得到的地址信號一一相連。由于P0口是地址和數(shù)據(jù)分時復用的通道口，所以為了把地址信息分離出來保存，為外接

26、存儲器提供低8位地址信息，一般須外加地址鎖存器，并由CPU發(fā)出地址允許鎖存信息ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。單片機的P2口用作高位地址線及片選地址線，由于P2口輸出具有鎖存功能，故不必外加地址鎖存器。·數(shù)據(jù)線的連接存儲器的8位數(shù)據(jù)線«和P0口（P0.0P0.7）直接一一相連。·控制線的連接系統(tǒng)擴展時常用到下列信號：（片外程序存儲器取指信號）« (存儲器輸出信號)相連。ALE（地址鎖存允許信號）«通常接至地址鎖存器鎖存信號相連。存儲器 片選信號«接地或用高位地址選通。（片外/片內(nèi)程序存儲器選擇信號）， =0選擇片外程序存儲

27、器。圖7.10為系統(tǒng)擴展一片EPROM的最小系統(tǒng)。圖7.10 單片ROM擴展連線圖 存儲器映像分析分析存儲器在存儲空間中占據(jù)的地址范圍，實際上就是根據(jù)連接情況確定其最低地址和最高地址。圖7.10所示，由于P2.7、P2.6、P2.5的狀態(tài)與2764芯片的尋址無關，所以P2.7、P2.6、P2.5可為任意。從000到111共有8種組合，其2764芯片的地址范圍是：最低地址：0000H(A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A 0= 0000 0000 0000 0000) 最高地址：FFFFH (A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A

28、2A1A 0=×××1 1111 1111 1111) 共占用了64KB的存儲空間，造成地址空間的重疊和浪費。7.5 數(shù)據(jù)存儲器的擴展    數(shù)據(jù)存儲器主要用來存取要處理的數(shù)據(jù)，在MCS51系列單片機產(chǎn)品中片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器容量一般為128256個字節(jié)。當數(shù)據(jù)量較大時，就需要在外部擴展RAM數(shù)據(jù)存儲器。擴展容量最大可達64KB字節(jié)。7.5.1 數(shù)據(jù)存儲器的擴展概述單片機與數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和程序存儲器連接方法大致相同，簡述如下：1  地址線的連接，與程序存儲器連法相同。2  數(shù)據(jù)線的連接，與程序存儲器連法相同。3&#

29、160; 控制線的連接，主要有下列控制信號：存儲器輸出信號 和單片機讀信號 相連即和P3.7相連。存儲器寫信號 和單片機寫信號 相連即和P3.6相連。ALE：其連接方法與程序存儲器相同。使用時應注意，訪問內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)存儲器時，應分別使用MOV及MOVX指令。外部數(shù)據(jù)存儲器通常設置二個數(shù)據(jù)區(qū)：(1) 低8位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū)。此區(qū)域尋址空間為256個字節(jié)。CPU可以使用下列讀寫指令來訪問此存貯區(qū)。   讀存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXA，R   寫存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXR，A  由于8位尋址指令占字節(jié)少，程序運行速度快，所以經(jīng)常采用。(2) 6

30、位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū)。當外部RAM容量較大，要訪問RAM地址空間大于256個字節(jié)時，則要采用如下16位尋址指令。讀存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXA，DPTR寫存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVXDPTR，A由于DPTR為16位的地址指針，故可尋址64KRAM字節(jié)單元。7.5.2 數(shù)據(jù)存儲器擴展使用的典型芯片1 數(shù)據(jù)存儲器SRAM芯片 數(shù)據(jù)存儲器擴展常使用隨機存儲器芯片，用的較多的是Intel公司的6116容量為2KB和6264容量為8KB。其性能見表5-7所示下面以6264芯片為例進行說明，管腳圖如圖7.9所示。該芯片的主要引腳為：·A12A0 ¾¾13根地址線，說明芯片的容量

31、為8K213個單元。              ·D7D0 ¾¾8根數(shù)據(jù)線· 、CE2為片選信號。當 為低電平，CE2為高電平時，選中該芯片。· 為輸出允許信號。當OE為低電平時，芯片中的數(shù)據(jù)可由D7D0輸出。· 為數(shù)據(jù)寫信號。 其工作方式如表5-8所示   2 數(shù)據(jù)存儲器擴展方法 (1)       單片數(shù)據(jù)存儲器擴展 80C51與62

32、64的連接如表5-9所示。表5-9 80C51與6264的線路連接80C51 6264 P0經(jīng)鎖存器鎖存形成A0A7 A0A7 P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4 A8A12 D0D7 D0D7 數(shù)據(jù)存儲器擴展的硬件連接如圖7.11所示。圖7.11 單片RAM擴展連線圖(2)       多片數(shù)據(jù)存儲器擴展例如：用4片6116進行8KB數(shù)據(jù)存儲器擴展，用譯碼法實現(xiàn)。80C51與6116的線路連接如表5-10所示表5-10 80C51與6116的線路連接 80C51 6116   二四譯碼器譯碼形成 P0口經(jīng)鎖存器鎖存A0A7