《單片機存儲器擴展》課件

單片機存儲器擴展隨著單片機應用領域的不斷擴展,對單片機存儲器的需求也在不斷提高。本節(jié)課程將探討單片機存儲器的擴展方法,幫助您更好地滿足復雜應用的需求。單片機的存儲器結(jié)構(gòu)單片機的存儲器由內(nèi)部存儲器和外部存儲器組成。內(nèi)部存儲器包括ROM、RAM等,具有高速訪問特性,但容量有限。外部存儲器可以根據(jù)需求進行擴展,容量更大,但訪問速度較慢。單片機通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與外部存儲器進行通信和數(shù)據(jù)交換。單片機外部存儲器的擴展對于實現(xiàn)更復雜的功能非常重要。單片機內(nèi)部存儲器的分類1程序存儲器（ROM）用于存儲程序指令和固定數(shù)據(jù)，通常采用只讀存儲器。2數(shù)據(jù)存儲器（RAM）用于存儲變量數(shù)據(jù)和臨時計算結(jié)果，具有讀寫功能。3特殊功能寄存器（SFR）用于存儲控制單片機工作的各種模式和狀態(tài)信息。ROM內(nèi)部存儲器ROM是單片機內(nèi)部集成的只讀存儲器,用于存儲程序代碼和固定數(shù)據(jù)。程序存儲ROM可以在出廠時編程,提供單片機上電后直接執(zhí)行的代碼。數(shù)據(jù)存儲ROM還可以用來存儲一些固定的參考數(shù)據(jù),如各種查找表、字庫等。EPROM可擦除可編程只讀存儲器EPROM是一種可重復編程的存儲器,通過紫外線照射可以實現(xiàn)擦寫操作。與普通ROM相比,EPROM具有可編程和可重復擦寫的特點。數(shù)據(jù)保存時間長EPROM中存儲的數(shù)據(jù)可以保存10年以上,即使在斷電的情況下也能保持數(shù)據(jù)不丟失。編程與擦寫操作EPROM通過高壓編程,通過紫外線照射完成擦寫操作。這種操作相對復雜,需要專門的編程設備。EEPROMEEPROM特點EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory）是一種可電子擦除和重新編程的只讀存儲器。與EPROM不同，EEPROM可以通過電子方式快速擦除和重新編程。EEPROM編程方式EEPROM通過電子脈沖方式完成擦除和編程操作。相比EPROM而言,EEPROM操作更加簡單和高效。EEPROM存儲結(jié)構(gòu)EEPROM通常采用浮柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單元電荷的可擦除和可編程。這種結(jié)構(gòu)可以在不破壞器件的情況下進行數(shù)據(jù)存儲。RAM易失性存儲器RAM（RandomAccessMemory）是一種易失性存儲器,在斷電時數(shù)據(jù)會被清除,需要持續(xù)供電才能保存數(shù)據(jù)。快速讀寫RAM提供隨機訪問和快速的讀寫速度,適合作為中央處理器的主存儲器使用。多種類型常見的RAM類型包括SRAM、DRAM和SDRAM,各有不同的特點和應用場景。數(shù)據(jù)揮發(fā)性RAM數(shù)據(jù)在斷電時會丟失,需要額外的電池供電或定期刷新來保持數(shù)據(jù)。單片機外部存儲器的分類1ROM（只讀存儲器）用于存儲程序和固定數(shù)據(jù)，斷電不會丟失?？煞譃镸ASKROM和PROM。2SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）用于存儲變量數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。訪問速度快。3DRAM（動態(tài)隨機存儲器）用于存儲大容量的數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。訪問速度相比SRAM略慢。4FLASH存儲器可擦寫、可編程的只讀存儲器。斷電不丟失數(shù)據(jù)，可多次擦寫。外部ROM存儲程序和數(shù)據(jù)外部ROM用于存儲單片機運行所需的程序代碼和靜態(tài)數(shù)據(jù)。只讀存儲器外部ROM是只讀存儲器,無法通過單片機直接修改其中的內(nèi)容。外部擴展當單片機內(nèi)部存儲容量不足時,可以通過外部ROM擴展存儲空間。外部SRAM特點外部SRAM是一種靜態(tài)隨機存取存儲器,數(shù)據(jù)保存不依賴于外部電源,讀取速度快,適用于需要頻繁訪問的代碼和數(shù)據(jù)存儲。工作原理SRAM單元由一組觸發(fā)器組成,通過地址線選擇單元并讀寫數(shù)據(jù)。無需刷新,可直接訪問。應用場景適用于存儲瞬時數(shù)據(jù)、以及頻繁讀寫的代碼和數(shù)據(jù)。常用于嵌入式系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)存儲。與內(nèi)部RAM的區(qū)別外部SRAM具有更大的存儲容量和更快的訪問速度,但功耗較高,需要額外的接口電路。外部DRAM高容量儲存DRAM可以提供大容量的存儲空間,滿足單片機海量數(shù)據(jù)的存儲需求。動態(tài)刷新DRAM需要定期刷新以保持數(shù)據(jù)完整性,這增加了單片機的設計復雜性?？焖僭L問DRAM具有較高的訪問速度,可滿足單片機對快速數(shù)據(jù)讀寫的需求。低功耗DRAM可以在低功耗模式下工作,有助于降低單片機系統(tǒng)的整體功耗。外部FLASHFLASH芯片F(xiàn)LASH存儲器是一種非易失性存儲器,具有高密度、高可靠性和低功耗的特點。它可以提供大容量的存儲空間,廣泛應用于單片機等嵌入式系統(tǒng)中。FLASH存儲器結(jié)構(gòu)FLASH存儲器的基本結(jié)構(gòu)包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線,可以實現(xiàn)對存儲區(qū)域的隨機訪問。它還提供扇區(qū)擦除和字節(jié)編程的功能。FLASH存儲器應用FLASH存儲器廣泛應用于單片機系統(tǒng)的程序存儲、參數(shù)存儲和數(shù)據(jù)緩存等場景,為系統(tǒng)提供了高效、可靠的存儲解決方案。外部存儲器的選址1地址空間劃分單片機的地址空間分為內(nèi)部和外部兩部分。2外部存儲器選址通過片選信號控制外部存儲器的選擇。3地址譯碼電路利用地址線和片選信號構(gòu)建外部存儲器地址譯碼電路。單片機的地址空間包括內(nèi)部和外部兩部分，外部存儲器的選址則依賴于片選信號的控制。設計專門的地址譯碼電路可以根據(jù)地址線和片選信號，有效地選擇所需的外部存儲器進行訪問。單片機外部存儲器擴展的必要性內(nèi)部存儲空間有限單片機內(nèi)部的ROM和RAM容量有限,無法滿足復雜應用的存儲需求。功能要求不斷提高隨著技術的發(fā)展,用戶對單片機的功能和性能要求不斷提高,需要更大容量的存儲器。數(shù)據(jù)處理量增大現(xiàn)代單片機應用涉及大量圖像、視頻、語音等數(shù)據(jù),需要外部存儲器來滿足高容量和高速處理的需求。實時性要求提高許多單片機應用要求實時性和快速響應,這需要外部存儲器提供快速的數(shù)據(jù)讀寫能力。單片機外部存儲器擴展的要求存儲容量大單片機內(nèi)部存儲空間有限,需要外部存儲器以滿足更大的程序和數(shù)據(jù)存儲需求。訪問速度快外部存儲器的訪問時間需要足夠短,以滿足實時處理的要求。低功耗電池供電的嵌入式系統(tǒng)需要外部存儲器具有低功耗特性。可靠性高外部存儲器應具有良好的抗干擾能力和高數(shù)據(jù)可靠性,以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。單片機外部總線擴展地址總線擴展擴展單片機的地址總線以支持更大的外部存儲器空間。數(shù)據(jù)總線擴展擴展單片機的數(shù)據(jù)總線以支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度?？刂瓶偩€擴展擴展單片機的控制總線以提供更精細的外部設備控制能力。地址總線的擴展1地址線數(shù)量擴展單片機內(nèi)部存儲器地址總線位寬有限，通過增加外部地址線數(shù)量擴展地址空間。2地址譯碼電路使用地址譯碼電路將外部地址線映射到不同的存儲器區(qū)域，實現(xiàn)靈活的地址空間分配。3地址線時序控制需要精細控制地址線的建立時間和保持時間，以確保外部存儲器正確識別地址。數(shù)據(jù)總線的擴展1地址譯碼對外部存儲器地址進行譯碼和選擇2數(shù)據(jù)緩沖增強數(shù)據(jù)驅(qū)動能力,隔離內(nèi)部總線3數(shù)據(jù)重定向?qū)?nèi)部數(shù)據(jù)總線與外部存儲器數(shù)據(jù)總線連接通過地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)重定向等功能模塊,可以實現(xiàn)單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與外部存儲器數(shù)據(jù)總線的有效擴展,滿足單片機外部存儲器訪問的需求?？刂瓶偩€的擴展1片選信號用于選擇所需的外部存儲器設備2讀寫控制信號控制外部存儲器的讀寫操作3時序控制信號保證數(shù)據(jù)在正確的時間讀寫控制總線負責單片機與外部存儲器之間的控制信號傳輸。主要包括片選信號、讀寫控制信號和時序控制信號。這些信號確保了單片機能夠正確地訪問和操作外部存儲器設備。控制總線的擴展是單片機外部存儲器擴展的關鍵部分。單片機外部存儲器的接口電路單片機外部存儲器需要通過專門的接口電路與單片機芯片相連。接口電路負責完成地址、數(shù)據(jù)和控制信號的轉(zhuǎn)換與傳遞,確保單片機能夠正確地讀寫外部存儲器。常見的外部存儲器接口電路包括地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖、讀寫控制等部分,根據(jù)不同的存儲器類型采用不同的接口設計。這些電路確保單片機與外部存儲器之間的高效通信。單片機與ROM的接口單片機通常通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與ROM進行通信。在讀取ROM時，單片機首先將ROM的地址輸出到地址總線上，然后通過讀控制信號使能ROM器件，將ROM中的數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)總線上。單片機可以訪問的ROM種類包括EPROM、EEPROM和FlashROM等。這些ROM都可以在電路運行過程中被單片機動態(tài)訪問，從而擴展單片機的程序存儲空間。單片機與SRAM的接口單片機與SRAM的接口是一種常見的外部存儲器擴展方式。SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）具有高速訪問、低功耗等特點,非常適用于單片機系統(tǒng)中的臨時數(shù)據(jù)存儲。通過擴展單片機的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線,可以將SRAM接入單片機系統(tǒng),實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲和讀取。這種接口具有簡單可靠、易于控制等優(yōu)點,廣泛應用于單片機系統(tǒng)的外部存儲擴展。單片機與DRAM的接口單片機與DRAM的接口通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線相連。地址總線用于選擇DRAM中的存儲單元，數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，控制總線包括行地址選通信號(RAS)、列地址選通信號(CAS)等控制信號。在訪問DRAM時需要首先給出行地址，然后給出列地址，最后給出讀寫控制信號。DRAM的訪問速度比SRAM慢，需要復雜的控制邏輯才能實現(xiàn)。單片機與FLASH的接口單片機與FLASH存儲器的接口可以采用并行接口或串行接口兩種方式。并行接口通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與FLASH相連接，實現(xiàn)快速讀寫訪問。串行接口通過SPI或I2C總線與FLASH相連，雖然速度較慢但線路數(shù)少，適合小容量FLASH的應用。外部存儲器的訪問時序地址建立時間在地址信號建立后，需要一定的時間來穩(wěn)定地址線上的電平。讀/寫操作當?shù)刂贩€(wěn)定后，單片機會激活讀或?qū)懣刂菩盘栆赃M行數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭搿?shù)據(jù)建立時間在讀取數(shù)據(jù)時，需要一定的時間使得數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)信號能夠穩(wěn)定下來。數(shù)據(jù)保持時間在寫入數(shù)據(jù)時，需要在控制信號撤消前保持一段時間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。單片機外部存儲器的性能指標存取時間存取時間指外部存儲器被單片機訪問時的響應速度?？焖俚拇嫒r間可以提高系統(tǒng)處理速度和實時性能。存取帶寬存取帶寬反映了外部存儲器單位時間內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。高帶寬能滿足大容量數(shù)據(jù)的快速存取需求。功耗存儲器的功耗直接影響到整個系統(tǒng)的電源要求和發(fā)熱情況。低功耗存儲器可以減少系統(tǒng)成本和散熱問題?？煽啃源鎯ζ鞯目煽啃园〝?shù)據(jù)保存時間、工作溫度范圍、抗干擾能力等特性?？煽康拇鎯ζ髂艽_保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。存取時間1ns快速訪問100ns中等訪問1ms較慢訪問10ms極慢訪問存取時間是評判存儲器性能的關鍵指標。快速的存取時間對于實時系統(tǒng)至關重要，能提高系統(tǒng)響應速度和數(shù)據(jù)處理效率。不同應用場景對存取時間有不同要求，需要根據(jù)具體需求選擇合適的存儲器。存取帶寬內(nèi)部RAM存取帶寬單片機內(nèi)部RAM具有很高的傳輸速度,通?？蛇_到幾百MB/s的數(shù)據(jù)帶寬。這為單片機實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理提供了基礎。外部存儲器存取帶寬與內(nèi)部RAM相比,外部存儲器的傳輸速度較低,通常在MB/s級別。這是單片機外部存儲器擴展需要考慮的一個重要指標?？偩€速度對帶寬的影響單片機外部總線的速度直接決定了外部存儲器的傳輸速度。增加總線位寬和提高總線頻率都可以提高外部存儲器的數(shù)據(jù)帶寬。功耗不同類型的外部存儲器具有不同的功耗特性,這需要在選擇時予以考慮。ROM和EPROM的功耗較低,而SRAM、DRAM和FLASH的功耗較高。在設計單片機系統(tǒng)時,需根據(jù)具體需求權衡功耗與其他指標的平衡。可靠性可靠性指標要求正常工作時間不小于5年故障率不大于50ppm（百