8.1概述

8.2程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展

8.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

8.4多片存儲(chǔ)器芯片的擴(kuò)展

習(xí)題與思考題

第8章MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)擴(kuò)展

8.1概述系統(tǒng)擴(kuò)展是指單片機(jī)內(nèi)部各功能部件不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時(shí)，在片外連接相應(yīng)的外圍芯片以滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求。8051有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展能力，擴(kuò)展電路及擴(kuò)展方法較典型、規(guī)范。8051主要有程序存儲(chǔ)器(ROM)的擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)的擴(kuò)展、I/O口的擴(kuò)展、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展以及其他特殊功能接口的擴(kuò)展等。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法有并行擴(kuò)展法和串行擴(kuò)展法兩種。并行擴(kuò)展法是指利用單片機(jī)本身具備的三組總線(AB、DB、CB)進(jìn)行的系統(tǒng)擴(kuò)展。近幾年，由于集成電路設(shè)計(jì)、工藝和結(jié)構(gòu)的發(fā)展，串行擴(kuò)展法得到了很快發(fā)展，它利用SPI三線總線和I2C雙線總線進(jìn)行串行系統(tǒng)擴(kuò)展。有的單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可能同時(shí)采用并行擴(kuò)展法和串行擴(kuò)展法。本章主要介紹并行擴(kuò)展法。8.1.1MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)

一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：

(1)單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)是集CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和I/O接口電路于一片集成電路的微型計(jì)算機(jī)。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，可以在MCS-51系列單片機(jī)中選擇一個(gè)合適的產(chǎn)品構(gòu)成一個(gè)具有最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)，即單片機(jī)最小系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)擴(kuò)展。當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展。選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備(如鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等)時(shí)，就要設(shè)計(jì)合適的接口電路進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。系統(tǒng)擴(kuò)展一般包括外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展、外部接口擴(kuò)展和管理功能器件的擴(kuò)展等幾方面內(nèi)容。

1．8051單片機(jī)最小系統(tǒng)

8051最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖8-1所示。這種最小應(yīng)用系統(tǒng)只要將單片機(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路接上，同時(shí)??接高電平，系統(tǒng)就可以工作。此類應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)是：

(1)全部I/O口線均可供用戶用。

(2)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限(只有4?KB地址空間)。

(3)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。圖8-1MCS-51系列8051最小應(yīng)用系統(tǒng)圖8-2MCS-51系列8031最小應(yīng)用系統(tǒng)8.1.2MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展總線的產(chǎn)生

MCS-51系列單片機(jī)具有64?KB的程序存儲(chǔ)器空間，其中8051和8751片內(nèi)有4?KB的程序存儲(chǔ)器，8031片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，當(dāng)采用8051、8751而程序超過(guò)4?KB或采用8031時(shí)，就需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。另外，MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間相互獨(dú)立，其中片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可達(dá)64?KB，而片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器僅有128?B，對(duì)于某些應(yīng)用可能不夠，這時(shí)就需對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。如前面幾章所述，MCS-51單片機(jī)對(duì)外沒(méi)有專用的地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)，那么在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，首先需要擴(kuò)展系統(tǒng)的三總線。如圖8-3所示，MCS-51單片機(jī)片外總線結(jié)構(gòu)由三組總線構(gòu)成，即地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)。所有符合這個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)的外部接口芯片都可以用這三組總線進(jìn)行擴(kuò)展。圖8-3單片機(jī)的3總線結(jié)構(gòu)

2．?dāng)?shù)據(jù)總線(DB)

數(shù)據(jù)總線由P0口提供，其寬度為8位。該口為三態(tài)雙向口，是應(yīng)用系統(tǒng)中使用最為頻繁的端口。單片機(jī)所有需要通過(guò)總線與外部交換的數(shù)據(jù)、指令、信息，必須經(jīng)由P0口傳送。

當(dāng)數(shù)據(jù)總線要連接到多個(gè)外圍芯片上時(shí)，而在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)數(shù)據(jù)傳送通道有效，至于是哪一個(gè)芯片的數(shù)據(jù)通道有效，則由地址線控制的各個(gè)芯片的片選線來(lái)選擇。圖8-4單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器8.2.2EPROM擴(kuò)展電路

下面以2764為例介紹EPROM的使用。2764的存儲(chǔ)容量為8?K?×?8位，單一?+5?V電源供電，典型存取時(shí)間200?ns，雙列28引腳直插封裝。其引腳如圖8-5所示。 圖8-52764引腳及功能圖圖8-68051與2764硬件接口電路8.2.3只讀存儲(chǔ)器(ROM)

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶部件。CPU要執(zhí)行的程序、要處理的數(shù)據(jù)以及要處理的中間結(jié)果等都存放在存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)容量和存取時(shí)間是存儲(chǔ)器的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，它們反映了存儲(chǔ)記憶信息的多少與工作速度的快慢。目前微機(jī)的存儲(chǔ)器幾乎全部采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器根據(jù)應(yīng)用可分為讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)兩大類。

只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory)簡(jiǎn)稱ROM，一般用來(lái)存儲(chǔ)程序和固定的數(shù)據(jù)，比如計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)程序、一些固定表格等。與RAM不同，當(dāng)電源消失時(shí)，ROM仍能保持內(nèi)容不變。在讀取某一地址中的內(nèi)容這點(diǎn)上，ROM類似于RAM，但ROM并不能修改其內(nèi)容。只讀存儲(chǔ)器有掩膜ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。

MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用得最多的EPROM程序存儲(chǔ)器是Intel公司的典型系列芯片2716(2?K?×?8位)、2732A(4?K?×?8位)、2764(8?K?×?8位)、27128(16?K?×?8位)、27256(32?K?×?8位)和27512(64?K?×?8位)等，各管腳及其兼容性能如圖8-7所示。由圖中可以看出管腳的兼容性。例如，2732A與2716管腳為24腳，將2732A插入2716電路中可以作為2716芯片工作，但只2?KB有效；2764、27128、27256皆為28腳，均可向下兼容。圖8-7各EPROM芯片管腳及其兼容性能另外，各種型號(hào)的EPROM還可以有不同的應(yīng)用參數(shù)，主要有最大讀出速度、工作溫度、電壓容差等。在應(yīng)用系統(tǒng)中選擇EPROM芯片時(shí)，除了容量以外，必須注意這些參數(shù)。8.2.4EEPROM

電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(ElectricallyErasablePROM，EEPROM)比紫外線擦除的EPROM要方便，其主要優(yōu)點(diǎn)是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線電擦除和在線電寫(xiě)入，并能在斷電情況下保持修改的結(jié)果。因此，在智能儀表、控制裝置、分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)子站、開(kāi)發(fā)裝置中得到廣泛應(yīng)用。

EEPROM可作為程序存儲(chǔ)器使用，也可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，連接方式比較靈活。

下面主要介紹Intel公司的EEPROM典型產(chǎn)品，常見(jiàn)的型號(hào)有2816(2?K?×?8位)、2817(2?K?×?8位)、2864(8?K?×?8位)、2864A等。表8-1給出了這些產(chǎn)品的主要性能。圖8-88051與2816A硬件接口電路8.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

MCS-51芯片內(nèi)有128B的RAM存儲(chǔ)器，它們可以作為工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志寄存器和數(shù)據(jù)緩沖器。CPU對(duì)其內(nèi)部RAM有豐富的操作指令，因此，這個(gè)RAM存儲(chǔ)器是十分珍貴的資源，應(yīng)合理地利用片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器，充分發(fā)揮它的作用。但在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理應(yīng)用系統(tǒng)中，僅靠片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因而，必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM兩種。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中為避免動(dòng)態(tài)RAM的刷新問(wèn)題，通常使用靜態(tài)RAM。下面主要討論靜態(tài)RAM與MCS-51的接口圖8-9MCS-51單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理8.3.2靜態(tài)RAM的擴(kuò)展

下面以靜態(tài)RAM6264為例，介紹MCS-51單片機(jī)與靜態(tài)RAM的連接。

6264是8?K?×?8位的靜態(tài)RAM，采用CMOS工藝制造，單一?+5?V電源供電，額定功耗為200?mW，典型存取時(shí)間200?ns。MCS-51單片機(jī)與6264的接口電路如圖8-10所示。圖8-10MCS-51單片機(jī)與6264的接口電路圖8.3.3靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片

由于集成度的限制，目前單片RAM容量很有限，對(duì)于一個(gè)大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)，往往需要若干RAM組成，而讀/寫(xiě)操作時(shí)，通常僅操作其中一片(或幾片)，這就存在一個(gè)片選問(wèn)題。RAM芯片上特設(shè)了一根片選信號(hào)線，在片選信號(hào)線上加入有效電平，芯片即被選中，可進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，未被選中的芯片不工作。片選信號(hào)僅解決芯片是否工作的問(wèn)題，而芯片執(zhí)行讀還是寫(xiě)則還需有一根讀/寫(xiě)信號(hào)線，所以芯片上必須設(shè)讀/寫(xiě)控制線。

在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)芯片有6116(2?K×8位)和6264(8?K×8位)兩種。圖8-116116引腳和邏輯符號(hào)圖8.4多片存儲(chǔ)器芯片的擴(kuò)展上面討論的是8051擴(kuò)展一片EPROM或RAM的方法。在實(shí)際應(yīng)用中可能需要擴(kuò)展多片EPROM或RAM。如果用2764擴(kuò)展64?KB的EPROM，就需要8片2764。當(dāng)CPU通過(guò)指令“MOVCA，@A+DPTR”發(fā)出讀EPROM操作時(shí)，P2、P0發(fā)出的地址信號(hào)應(yīng)能滿足選擇其中一片的一個(gè)單元，即8片2764不應(yīng)該同時(shí)被選中，這就是所謂的片選。片選的方法有兩種：線選法和地址譯碼法。圖8-12用線選法實(shí)現(xiàn)片選

2．地址譯碼法

地址譯碼法尋址就是利用地址譯碼器對(duì)系統(tǒng)的片外高位地址進(jìn)行譯碼，以譯碼器輸出作為芯片的片選信號(hào)，可將地址劃分為連續(xù)的空間塊，避免了地址的不連續(xù)。另外，譯碼器在任何時(shí)候至多僅有一個(gè)有效片選信號(hào)輸出，保證不出現(xiàn)多片存儲(chǔ)器芯片會(huì)被同時(shí)選中的情況。

譯碼法仍用低位地址對(duì)每片片內(nèi)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行尋址，而高位地址線經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼后輸出作為各芯片的片選信號(hào)。常用的地址譯碼器是3—8譯碼器74LS138。圖8-13用譯碼法實(shí)現(xiàn)片選

【例8-2】試設(shè)計(jì)一個(gè)具有8?KBEPROM、8?KBRAM存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，EPROM存儲(chǔ)空間為0000H～1FFFH，ROM存儲(chǔ)空間為2000H～3FFFH。

解(1)確定芯片：2764具有8?KB存儲(chǔ)容量，6264具有8?KB存儲(chǔ)容量；本系統(tǒng)可采取一片2764和一片6264構(gòu)建。

(2)地址分配如表8-4所示。(3)畫(huà)出電路圖，如圖8-14所示。圖8-14例8-2的電路圖習(xí)題與思考題

8-1MCS-51單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址范圍都是0000H～FFFFH，在實(shí)際使用時(shí)如何區(qū)分？

8-2訪問(wèn)8051片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MOVX指令采用的是

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