單片機原理及接口技術(shù)：第8章 MCS-51單片機擴展存儲器的設(shè)計

第8章MCS-51單片機擴展存儲器的設(shè)計8.1概述8.2系統(tǒng)總線及總線構(gòu)造8.3讀寫控制、地址空間分配和外部地址鎖存器8.4程序存儲器EPROM的擴展8.5靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的擴展8.6EPROM和RAM的綜合擴展8.7E2PROM的擴展8.8ATMEL89C51/89C52單片機的片內(nèi)閃爍存儲 器8.1概述

片內(nèi)的資源如不滿足需要，需外擴存儲器和I/O功能部件:系統(tǒng)擴展問題，內(nèi)容主要有: (1)外部存儲器的擴展(外部存儲器又分為外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器) (2)I/O接口部件的擴展。 本章介紹MCS–51單片機如何擴展外部存儲器，I/O接口部件的擴展下一章介紹。系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)如下圖:8.1概述MCS-51數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的最大擴展空間各為64KB。系統(tǒng)擴展首先要構(gòu)造系統(tǒng)總線。8.2系統(tǒng)總線及總線構(gòu)造8.2.1系統(tǒng)總線 按其功能通常把系統(tǒng)總線分為三組:

1.地址總線

(AdressBus,簡寫AB)

2.數(shù)據(jù)總線

(DataBus，簡寫DB)

3.控制總線

(ControlBus，簡寫CB)8.2.2構(gòu)造系統(tǒng)總線 系統(tǒng)擴展的首要問題是構(gòu)造系統(tǒng)總線，然后再往系統(tǒng)總線上“掛”存儲器芯片或I/O接口芯片，“掛”存儲器芯片就是存儲器擴展，“掛”I/O接口芯片就是I/O擴展。

地址鎖存器一般采用74LS373，采用74LS373的地址總線的擴展電路如下圖(圖8-3)。8.2.2構(gòu)造系統(tǒng)總線8.2.2構(gòu)造系統(tǒng)總線 MCS-51由于受引腳數(shù)目的限制，數(shù)據(jù)線和低8位地址線復(fù)用。 為了將它們分離出來，需要外加地址鎖存器，從而構(gòu)成與一般CPU相類似的片外三總線，見圖8-2。8.2.3單片機系統(tǒng)的串行擴展技術(shù)

優(yōu)點:

串行接口器件體積小，與單片機接口時需要的I/O口線很少(僅需3-4根)，提高可靠性。

缺點:

串行接口器件速度較慢。 在大多數(shù)應(yīng)用的場合，還是并行擴展占主導(dǎo)地位。8.3讀寫控制、地址空間分配和外部地址鎖存器8.3.1存儲器擴展的讀寫控制

RAM芯片:

讀寫控制引腳，記為OE*和WE*，與MCS-51的RD*和WR*相連。

EPROM芯片:

只能讀出，故只有讀出引腳，記為OE*

，該引腳與MCS-51的PSEN*相連。8.3.2存儲器地址空間分配

MCS-51發(fā)出的地址是用來選擇某個存儲器單元進行讀寫，要完成這種功能，必須進行兩種選擇:“片選”和“單元選擇”。 存儲器空間分配除考慮地址線連接外，還討論各存儲器芯片在整個存儲空間中所占據(jù)的地址范圍，常用的存儲器地址分配的方法有兩種:線性選擇法

(簡稱線選法)和地址譯碼法

(簡稱譯碼法)。

8.3.2存儲器地址空間分配1.線選法

直接利用系統(tǒng)的高位地址線作為存儲器芯片(或I/O接口芯片)的片選信號。

優(yōu)點:

電路簡單，不需要地址譯碼器硬件，體積小，成本低。

缺點:

可尋址的器件數(shù)目受到限制，地址空間不連續(xù)，地址不唯一。例某一系統(tǒng)，需要外擴8KB的EPROM(2片2732)，4KB的RAM(2片6116)，這些芯片與MCS-51單片機地址分配有關(guān)的地址線連線電路如下圖所示。

8.3.2存儲器地址空間分配 2732:4KB程序存儲器，有12根地址線A0～A11，分別與單片機的P0口及P2.0～P2.3口相連。2732(1)的片選端接A15(P2.7)，2732(2)的片選端接A14(P2.6)。

6116:2KB數(shù)據(jù)存儲器，需要11根地址線作為單元的選擇，而剩下的P2口線(P2.4～P2.7)作為片選線。 當(dāng)要選中某個芯片時，單片機P2口對應(yīng)的片選信號引腳應(yīng)為低電平，其它引腳一定要為高電平。 兩片程序存儲器的地址范圍:

2732(1)的地址范圍:7000H～7FFFH;

2732(2)的地址范圍:B000H～BFFFH;

6116(1)的地址范圍:E800H～EFFFH;

6116(2)的地址范圍:D800H～DFFFH。

8.3.2存儲器地址空間分配2.譯碼法

最常用的譯碼器芯片:74LS138(3-8譯碼器)74LS139(雙2-4譯碼器)74LS154(4-16譯碼器)?？筛鶕?jù)設(shè)計任務(wù)的要求，產(chǎn)生片選信號。 全譯碼:全部高位地址線都參加譯碼； 部分譯碼:僅部分高位地址線參加譯碼。

(1)74LS138(3～8譯碼器)

引腳如圖8-5，譯碼功能如表8-1(P167)所示。當(dāng)譯碼器的輸入為某一個固定編碼時，其輸出只有某一個固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。8.3.2存儲器地址空間分配8.3.2存儲器地址空間分配

(2)74LS139(雙2-4譯碼器)

引腳如下圖。真值表如表8-2(P168)所示。8.3.2存儲器地址空間分配

下面以74LS138為例,介紹如何進行地址分配。例要擴8片8KB的RAM6264，如何通過74LS138把64KB空間分配給各個芯片？8.3.2存儲器地址空間分配

采用的是全地址譯碼方式，單片機發(fā)地址碼時，每次只能選中一個存儲單元。同類存儲器間不會產(chǎn)生地址重疊的問題。 如果用74LS138把64K空間全部劃分為每塊4KB，如何劃分呢？見下圖。8.3.2存儲器地址空間分配常用的地址鎖存器芯片有:74LS373、8282、74LS573等。1.鎖存器74LS373帶有三態(tài)門的8D鎖存器,其引腳其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖。8.3.3外部地址鎖存器2.鎖存器8282

功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與74LS373完全一樣，只是其引腳的排列與74LS373不同，8282的引腳如下圖。8.3.3外部地址鎖存器8.3.3外部地址鎖存器3.鎖存器74LS573

輸入的D端和輸出的Q端也是依次排在芯片的兩側(cè)，與鎖存器8282一樣，為繪制印刷電路板時的布線提供了方便。8.3.3外部地址鎖存器

采用只讀存儲器，非易失性。(1)掩膜ROM

在制造過程中編程。成本較高，因此只適合于大批量生產(chǎn)。(2)可編程ROM(PROM)

用獨立的編程器寫入。但PROM只能寫入一次，且不能再修改。

(3)EPROM

電信號編程，紫外線擦除的只讀存儲器芯片。(4)E2PROM(EEPROM)

電信號編程，電信號擦除的ROM芯片。讀寫操作與RAM幾乎沒有什么差別，只是寫入的速度慢一些。但斷電后能夠保存信息。(5)FlashROM

又稱閃爍存儲器，簡稱閃存。大有取代E2PROM的趨勢。8.4程序存儲器EPROM的擴展

典型芯片是27系列產(chǎn)品，例如，2764(8KB×8)、27128(16KB×8)、27256(32KB×8)、27512(64KB×8)?！?7”后面的數(shù)字表示其位存儲容量。

擴展程序存儲器時，應(yīng)盡量用大容量的芯片。1.常用的EPROM芯片

參數(shù)見表8-4(P123)。引腳如下圖。8.4.1常用EPROM芯片介紹2.EPROM芯片的工作方式(1)讀出方式 片選控制線為低,同時輸出允許控制線為低，Vpp為+5V，指定地址單元的內(nèi)容從D7～D0上讀出。

(2)未選中方式 片選控制線為高電平。(3)編程方式

Vpp端加上規(guī)定高壓,CE*和OE*端加合適電平(不同的芯片要求不同)，就能將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入到指定的地址單元。(4)編程校驗方式(5)編程禁止方式

輸出呈高阻狀態(tài)，不寫入程序。8.4.1常用EPROM芯片介紹8.4.2程序存儲器的操作時序1.訪問程序存儲器的控制信號

(1)ALE

(2)PSEN* (3)EA*

如果指令是從片外EPROM中讀取，ALE用于低8位地址鎖存，PSEN*接外擴EPROM的OE*腳。

P0口:分時低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線，P2口:高8位地址線。(1)應(yīng)用系統(tǒng)中無片外RAM8.4.2程序存儲器的操作時序(2)應(yīng)用系統(tǒng)中接有片外RAM8.4.2程序存儲器的操作時序8.4.3典型的EPROM接口電路1.使用單片EPROM的擴展電路

2716、2732EPROM價格貴，容量小，且難以買到。 僅介紹2764、27128、27256、27512芯片的接口電路。 下面兩圖分別為外擴16K字節(jié)的EPROM27128和32K字節(jié)的EPROM27256的接口電路圖。2.使用多片EPROM的擴展電路

MCS-51擴展4片27128。8.4.3典型的EPROM接口電路8.5靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的擴展8.5.1常用的靜態(tài)RAM(SRAM)芯片

典型型號有:6116、6264、62128、62256。

+5V電源供電，雙列直插封裝，6116為24引腳封裝，6264、62128、62256為28引腳封裝，引腳如下圖。8.5.2外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序1.讀片外RAM操作時序

2.寫片外RAM操作時序

寫是CPU主動把數(shù)據(jù)送上P0口總線。故在時序上，CPU先向P0口總線上送完8位地址后，在S3狀態(tài)就將數(shù)據(jù)送到P0口總線。8.5.2外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路圖8-21給出了用線選法擴展8031外部數(shù)據(jù)存儲器的電路。

地址線為A0～A12，故8031剩余地址線為三根。用線選法可擴展3片6264。3片6264對應(yīng)的存儲器空間如下表。8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路譯碼選通法擴展,如下圖所示。8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路各片62128地址分配見表8-9。

P2.7P2.6

譯碼輸出選中芯片

地址范圍存儲容量

00

Y0*IC10000H-3FFFH

16K

01

Y1*IC24000H-7FFFH

16K

10

Y2*IC38000H-BFFFH

16K

11

Y3*IC4C000H-FFFFH

16K

8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路

單片62256與8031的接口電路如圖8-23所示。地址范圍為0000H～7FFFH。8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路方法1:

用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，同時使用字節(jié)計數(shù)器。

MOVDPTR，#5000H ；設(shè)置數(shù)據(jù)塊指針的初值

MOVR7，#00H ；設(shè)置塊長度計數(shù)器初值

CLRALOOP: MOVX@DPTR，A ；把某一單元清零

INCDPTR ；地址指針加1 DJNZR7，LOOP ；數(shù)據(jù)塊長度減1，若不為0則繼續(xù)清零HERE: SJMPHERE ；執(zhí)行完畢，原地踏步例8-1

編寫程序?qū)⑵鈹?shù)據(jù)存儲器中5000H～50FFH單元全部清零。8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路方法2:

用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，但不使用字節(jié)計數(shù)器，而是比較特征地址。

MOVDPTR，#5000H CLRALOOP: MOVX@DPTR，A INCDPTR MOVR7，DPL CJNER7，#0，LOOP ；與末地址+1比較HERE: SJMPHERE8.5.3典型的外擴數(shù)據(jù)存儲器的接口電路8.6.1綜合擴展的硬件接口電路例8-2

采用線選法擴展2片8KB的RAM和2片8KB的EPROM。RAM選6264，EPROM選2764。擴展接口電路見下圖。

8.6EPROM和RAM的綜合擴展8.6.1綜合擴展的硬件接口電路例8-3

采用譯碼器法擴展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM選用2764，RAM選用6264。共擴展4片芯片。擴展接口電路見圖8-25。8.6.2外擴存儲器電路的工作原理及軟件設(shè)計 1.單片機片外程序區(qū)讀指令過程

2.單片機片外數(shù)據(jù)區(qū)讀寫數(shù)據(jù)過程

例如，把片外1000H單元的數(shù)送到片內(nèi)RAM50H單元，程序如下: MOVDPTR，#1000H

MOVXA，@DPTR MOV50H，A例如，把片內(nèi)50H單元的數(shù)據(jù)送到片外1000H單元中，程序如下: MOVA,50H MOVDPTR,#1000H

MOVX@DPTR,A MCS-51單片機讀寫片外數(shù)據(jù)存儲器中的內(nèi)容，除用MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A外，還可使用MOVXA,@Ri

和MOVX@Ri,A。這時通過P0口輸出Ri中的內(nèi)容(低8位地址)，而把P2口原有的內(nèi)容作為高8位地址輸出。例8-4

將程序存儲器中以TAB為首址的32個單元的內(nèi)容依次傳送到外部RAM以7000H為首地址的區(qū)域去。

DPTR指向標(biāo)號TAB的首地址。R0既指示外部RAM的地址，又表示數(shù)據(jù)標(biāo)號TAB的位移量。本程序的循環(huán)次數(shù)為32，R0的值:0～31，R0的值達(dá)到32就結(jié)束循環(huán)。程序如下:

MOV P2,#70H MOV DPTR,#TAB MOV R0,#0AGIN: MOV A,R0 MOVC A,@A+DPTR MOVX @R0,A INC R0 CJNE R0,#32,AGINHERE: SJMP HERETAB: DB……8.6.2外擴存儲器電路的工作原理及軟件設(shè)計

保留信息長達(dá)20年，不存在EPROM在日光下信息緩慢丟失的問題。

8.7.1常用的E2PROM芯片

8.7E2PROM的擴展

在芯片的引腳設(shè)計上，2KB的E2PROM2816與相同容量的EPROM2716和靜態(tài)RAM6116兼容，8KB的E2PROM2864A與同容量的EPROM2764和靜態(tài)RAM6264也是兼容的。2816、2817和2864A的讀出數(shù)據(jù)時間均為250ns，寫入時間10ms。 E2PROM的主要性能見表8-10(P191)。8.7.3MCS-51擴展E2PROM的方法

1.MCS-51外擴2817A 2817A既可作為外部的數(shù)據(jù)存儲器，又可作為程序存儲器。通過P1.0查詢2817A的RDY/BUSY*狀態(tài)，來完成對2817A的寫操作。片選信號由P2.7提供。8.7E2PROM的擴展2.MCS-51外擴2864A

接口電路見圖8-28。片選端與P2.7連接，P2.7=0才選中2864A，線選法決定了2864A對應(yīng)多組地址空間，即:0000H～1FFFH，2000H～3FFFH，4000H～5FFFH，6000H～7FFFH。8K字節(jié)的2864A可作為數(shù)據(jù)存儲器使用，但掉電后數(shù)據(jù)不丟失。8.7E2PROM的擴展

對2864A裝載一個頁面數(shù)據(jù)(16個字節(jié))的子程序WR2如下:

被寫入的數(shù)據(jù)取自源數(shù)據(jù)區(qū)，子程序入口參數(shù)為: R1=寫入2864A的字節(jié)數(shù)(16個字節(jié))

R0=2864A的低位地址

R2=2864A的高位地址

DPTR=源數(shù)據(jù)區(qū)首地址WR2: MOVXA,@DPTR ；取數(shù)據(jù)

MOV R2,A ；數(shù)據(jù)暫存R2,備查詢

MOVX@R0,A ；寫入2864A INC DPTR ；源地址指針加1 INC R0 ；目的地址指針加1 CJNER0,#00H,NEXT；低位地址指針未滿，轉(zhuǎn)移

INC R2 ；否則高位指針加1NEXT: DJNZR1,WR2 ；頁面未裝載完轉(zhuǎn)移

DECR0 ；頁面裝載完后，恢復(fù)最后寫入數(shù)據(jù)的地址LOOP: MOVXA,@R0 ；讀2864A XRL A,R2 ；與寫入的最后數(shù)據(jù)相異或

JB ACC.7,LOOP ；最高位不等,再查

RET ；最高位相同，1頁寫完

8.8ATMEL89C51/89C55單片機的片內(nèi)閃爍存儲器

上述寫入程序，完成頁面裝載的循環(huán)部分共8條指令，當(dāng)采用