程序存儲器擴展

5.3存儲器擴展一、

存儲器概述2/6/20231青島大學(xué)機電學(xué)院單片機內(nèi)部集成了計算機的基本功能部件，因而一塊單片機（如8051/8751）往往就是一個最小微機系統(tǒng)。MCS-51系列單片機具有很強的系統(tǒng)擴展能力，可以擴展64KB的程序存儲器和64KB的數(shù)據(jù)存儲器或輸入輸出口。2/6/20232青島大學(xué)機電學(xué)院單片機是集CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和I/O接口電路于一片集成電路的微型計算機。對于簡單的應(yīng)用場合，可以在MCS-51系列單片機中選擇一個合適的產(chǎn)品構(gòu)成一個具有最簡單配置的系統(tǒng)，即最小系統(tǒng)。MCS-51系列中含有片內(nèi)程序存儲器的單片機如8051/8751僅一塊芯片就可構(gòu)成最小系統(tǒng)，而無片內(nèi)存儲器的單片機如8031必須外部擴展程序存儲器才能構(gòu)成最小系統(tǒng)。2/6/20233青島大學(xué)機電學(xué)院單片機型號片內(nèi)程序存儲器類型容量/B8031

無

—8051

ROM4K8751

EPROM

4K8951

Flash

4K2/6/20234青島大學(xué)機電學(xué)院1、單片機最小系統(tǒng)無ROM芯片：8031必須擴展ROM，復(fù)位、晶振電路有ROM芯片：89c51等，不必擴展ROM，只要有復(fù)位、晶振電路使單片機能運行的最少器件構(gòu)成的系統(tǒng)。2/6/20235青島大學(xué)機電學(xué)院圖8051/8751最小應(yīng)用系統(tǒng)2/6/20236青島大學(xué)機電學(xué)院2．8031最小應(yīng)用系統(tǒng)

8031是片內(nèi)無程序存儲器的單片機芯片，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)在片外擴展EPROM。圖6-2為用8031外接程序存儲器構(gòu)成的最小系統(tǒng)。2/6/20237青島大學(xué)機電學(xué)院圖8031最小應(yīng)用系統(tǒng)返回本節(jié)2/6/20238青島大學(xué)機電學(xué)院當(dāng)單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)不能滿足實際應(yīng)用系統(tǒng)要求時，需要在單片機外部連接相應(yīng)的外圍芯片以滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求。MCS-51系列單片機有很強的外部擴展功能，大部分常規(guī)芯片可用于其外圍擴展電路中。擴展的內(nèi)容主要有總線、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O口擴展等。2、MCS-51三總線的擴展2/6/20239青島大學(xué)機電學(xué)院地址總線：P0－低8位

P2－高8位數(shù)據(jù)總線：P0控制總線：RD、WR、ALE、PSEN

（讀、寫、地址鎖存允許、外程序存儲器讀選通）擴展使用的三總線2/6/202310青島大學(xué)機電學(xué)院擴展總線的產(chǎn)生。一般的CPU，像INTEL8086/8088、Z80等，都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而MCS-51系列單片機由于受管腳的限制，數(shù)據(jù)線與地址線是復(fù)用的，為了將它們分離開來，必須在單片機外部增加地址鎖存器，構(gòu)成與一般CPU相類似的三總線結(jié)構(gòu)。2/6/202311青島大學(xué)機電學(xué)院1.地址總線（AB）

MCS-51系列單片機地址總線寬為16位，所以可尋址范圍為216=64KB。

16位地址總線由P0口提供低8位A0-A7，P2口提供高8位A8-A15。由于P0口還要作數(shù)據(jù)總線，只能分時用作低8位地址線，所以P0輸出的低8位地址必須用鎖存器鎖存。鎖存器的鎖存控制信號為ALE輸出信號。P2口具有輸出鎖存功能，所以不需外加鎖存器。2/6/202312青島大學(xué)機電學(xué)院2.數(shù)據(jù)總線（DB）

數(shù)據(jù)總線由P0口提供，其寬度為8位，用于單片機與外部存儲器和I/O設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。P0口為三態(tài)雙向口，可以進(jìn)行兩個方向的數(shù)據(jù)傳送。3.控制總線（CB)

由P3口提供。2/6/202313青島大學(xué)機電學(xué)院MCS-51單片機的總線結(jié)構(gòu)P2口作地址高8位A0~A7A8~A15DB地址鎖存器P2ALEP0PSEN(P3.6)WR(P3.7)RDEA80C51CBABPSEN是片外程序存儲器讀選通信號；RD、WR是片外數(shù)據(jù)存儲器讀、寫信號；EA用來選擇片內(nèi)/片外程序存儲器。P0口作地址/數(shù)據(jù)線,分時復(fù)用,ALE控制鎖存器鎖存地址信號。2/6/202314青島大學(xué)機電學(xué)院8051的擴展三總線2/6/202315青島大學(xué)機電學(xué)院地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2圖

MCS-51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖2/6/202316青島大學(xué)機電學(xué)院擴展程序存儲器地址范圍的確定。單片機擴展存儲器的關(guān)鍵是搞清楚擴展芯片的地址范圍，8031最大可以擴展64KB（0000H～FFFFH）。決定存儲器芯片地址范圍的因素有兩個：一個是片選端的連接方法，一個是存儲器芯片的地址線與單片機地址線的連接。在確定地址范圍時，必須保證片選端為低電平。本例中，2732的片選端總是接地，因此第一個條件總是滿足的，另外，2732有12條地址線，與8031的低12位地址相連，編碼結(jié)果如下：2/6/202317青島大學(xué)機電學(xué)院?EPROM的使用。存儲器擴展電路是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的功能擴展部分，只有當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計完成了，才能把程序通過特定的編程工具（一般稱為編程器或EPROM固化器）固化到2732中，然后再將2732插到用戶板的插座上（擴展程序存儲器一定要焊插座）。2/6/202318青島大學(xué)機電學(xué)院三

程序存儲器擴展2/6/202319青島大學(xué)機電學(xué)院工作時，ROM中的信息只能讀出，要用特殊方式寫入(固化信息)，失電后可保持信息不丟失。1)掩膜ROM：不可改寫ROM

由生產(chǎn)芯片的廠家固化信息。在最后一道工序用掩膜工藝寫入信息，用戶只可讀。2)PROM：可編程ROM

用戶可進(jìn)行一次編程。存儲單元電路由熔絲相連，當(dāng)加入寫脈沖，某些存儲單元熔絲熔斷，信息永久寫入，不可再次改寫。3)EPROM：可光擦除PROM

用戶可以多次編程。編程加寫脈沖后，某些存儲單元的PN結(jié)表面形成浮動?xùn)牛钃跬?，實現(xiàn)信息寫入。用紫外線照射可驅(qū)散浮動?xùn)?，原有信息全部擦除，便可再次改寫?.EEPROM：可電擦除PROM

既可全片擦除也可字節(jié)擦除，可在線擦除信息，又能失電保存信息，具備RAM、ROM的優(yōu)點。但寫入時間較長。2/6/202320青島大學(xué)機電學(xué)院1EPROM頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息一般使用專門的編程器（燒寫器）進(jìn)行編程編程后，應(yīng)該貼上不透光封條出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息1編程就是將某些單元寫入信息02/6/202321青島大學(xué)機電學(xué)院單片機型號片內(nèi)程序存儲器類型容量/B8031

無

—8051

ROM4K8751

EPROM

4K8951

Flash

4K2/6/202322青島大學(xué)機電學(xué)院

對于沒有內(nèi)部ROM的單片機或者當(dāng)程序較長、片內(nèi)ROM容量不夠時，用戶必須在單片機外部擴展程序存儲器。MCS-51單片機片外有16條地址線，即P0口和P2口，因此最大尋址范圍為64KB（0000H～FFFFH）。這里要注意的是，MCS-51單片機有一個管腳——跟程序存儲器的擴展有關(guān)。如果接高電平，那么片內(nèi)存儲器地址范圍是0000H～0FFFH（4KB），片外程序存儲器地址范圍是1000H～FFFFH（60KB）。如果接低電平，不使用片內(nèi)程序存儲器，片外程序存儲器地址范圍為0000H～FFFFH（64KB）。2/6/202323青島大學(xué)機電學(xué)院

8031單片機沒有片內(nèi)程序存儲器，因此管腳總是接低電平。擴展程序存儲器常用的芯片是EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）型（紫外線可擦除型），如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。另外，還有+5V電可擦除EEPROM，如2816（2K×8）、2864（8K×8）等等。如果程序總量不超過4KB，一般選用具有內(nèi)部ROM的單片機。8051內(nèi)部ROM只能由廠家將程序一次性固化，不適合小批量用戶和程序調(diào)試時使用，因此選用8751、8951的用戶較多。如果程序超過4KB，用戶一般不會選用8751、8951，而是直接選用8031，利用外部擴展存儲器來存放程序。2/6/202324青島大學(xué)機電學(xué)院擴展程序存儲器時，應(yīng)盡量用大容量的芯片。1.常用的EPROM芯片引腳如下圖。引腳功能如下：A0～A15：地址線引腳。數(shù)目決定存儲容量來定，用來進(jìn)行單元選擇。D7～D0：數(shù)據(jù)線引腳CE*：片選輸入端OE*

：輸出允許控制端PGM*：編程時，加編程脈沖的輸入端Vpp：編程時，編程電壓（+12V或+25V）輸入端Vcc：+5V，芯片的工作電壓。

GND：數(shù)字地。2/6/202325青島大學(xué)機電學(xué)院2/6/202326青島大學(xué)機電學(xué)院EPROM芯片2716存儲容量為2K×824個引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線DO7～DO0片選/編程CE*/PGM讀寫OE*編程電壓VPP功能VDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss2/6/202327青島大學(xué)機電學(xué)院EPROM芯片2764存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D0片選CE*編程PGM*讀寫OE*編程電壓VPP功能VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D3123456789101112131428272625242322212019181716152/6/202328青島大學(xué)機電學(xué)院EPROM芯片2725612345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14Vcc27256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256邏輯圖2/6/202329青島大學(xué)機電學(xué)院27xx的引腳2/6/202330青島大學(xué)機電學(xué)院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。2/6/202331青島大學(xué)機電學(xué)院EPROM的工作方式2/6/202332青島大學(xué)機電學(xué)院2764----8KEPROM2764引腳功能A0~A12地址線CE選片OE讀D0~D7數(shù)據(jù)線VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D32764.擴展時所用芯片1編程脈沖輸入PGM編程電源

Vpp2/6/202333青島大學(xué)機電學(xué)院D7D6D5D4D3D2D1D0G74LS373GND+5VEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0.擴展時所用芯片2

373引腳功能D0~D6數(shù)據(jù)輸入E輸出允許G數(shù)據(jù)輸出Q0~Q7使能端當(dāng)E=0，G=1時，

輸出Q=輸入D(透明)；當(dāng)E=0，G=0時，輸出Q端不變（鎖存）當(dāng)E=1，輸出高阻態(tài)2/6/202334青島大學(xué)機電學(xué)院地址鎖存器帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373/74HC373

P0A0~A7ALE輸出允許數(shù)據(jù)鎖存端，下降沿鎖存2/6/202335青島大學(xué)機電學(xué)院4.2.18D鎖存器74LS373圖4.374LS373結(jié)構(gòu)示意圖

2/6/202336青島大學(xué)機電學(xué)院圖4.474LS373用作地址鎖存器2/6/202337青島大學(xué)機電學(xué)院鎖存器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。

2/6/202338青島大學(xué)機電學(xué)院2/6/202339青島大學(xué)機電學(xué)院圖

單片機擴展2732EPROM電路

2/6/202340青島大學(xué)機電學(xué)院芯片說明。

①74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器，由于片機的三總線結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)線與地址線的低8位共用P0口，因此必須用地址鎖存器將地址信號和數(shù)據(jù)信號區(qū)分開。74LS373的鎖存控制端G直接與單片機的鎖存控制信號ALE相連，在ALE的下降沿鎖存低8位地址。②EPROM2732。EPROM2732的容量為4K×8位。4K表示有4×1024（22×210=212）個存儲單元，8位表示每個單元存儲數(shù)據(jù)的寬度是8位。前者確定了地址線的位數(shù)是12位（A0～A11），后者確定了數(shù)據(jù)線的位數(shù)是8位（O0～O7）。目前，除了串行存儲器之外，一般情況下，我們使用的都是8位數(shù)據(jù)存儲器。2732采用單一+5V供電，最大靜態(tài)工作電流為100mA，維持電流為35mA，讀出時間最大為250ns。2732的封裝形式為DIP24，管腳如圖7.3所示。

2/6/202341青島大學(xué)機電學(xué)院其中，A0～A11為地址線；O0～O7為數(shù)據(jù)線；為片選線；

/VPP為輸出允許/編程高壓。除了12條地址線和8條數(shù)據(jù)線之外，為片選線，低電平有效。也就是說，只有當(dāng)為低電平時，2732才被選中，否則，2732不工作。/VPP為雙功能管腳，當(dāng)2732用作程序存儲器時，其功能是允許讀數(shù)據(jù)出來；當(dāng)對EPROM編程（也稱為固化程序）時，該管腳用于高電壓輸入，不同生產(chǎn)廠家的芯片編程電壓也有所不同。當(dāng)我們把它作為程序存儲器使用時，不必關(guān)心其編程電壓。2/6/202342青島大學(xué)機電學(xué)院連線說明：①地址線。單片機擴展片外存儲器時，地址是由P0和P2口提供的。圖7.2中，2732的12條地址線（A0～A11）中，低8位A0～A7通過鎖存器74LS373與P0口連接，高4位A8～A11直接與P2口的P2.0～P2.3連接，P2口本身有鎖存功能。注意，鎖存器的鎖存使能端G必須和單片機的ALE管腳相連。2/6/202343青島大學(xué)機電學(xué)院②數(shù)據(jù)線。2732的8位數(shù)據(jù)線直接與單片機的P0口相連。因此，P0口是一個分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)線。③控制線。CPU執(zhí)行2732中存放的程序指令時，取指階段就是對2732進(jìn)行讀操作。注意，CPU對EPROM只能進(jìn)行讀操作，不能進(jìn)行寫操作。CPU對2732的讀操作控制都是通過控制線實現(xiàn)的。2732控制線的連接有以下幾條：：直接接地。由于系統(tǒng)中只擴展了一個程序存儲器芯片，因此，2732的片選端直接接地，表示2732一直被選中。若同時擴展多片，需通過譯碼器來完成片選工作。 ：接8031的讀選通信號端。在訪問片外程序存儲器時，只要端出現(xiàn)負(fù)脈沖，即可從2732中讀出程序。2/6/202344青島大學(xué)機電學(xué)院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。2.操作時序

2/6/202345青島大學(xué)機電學(xué)院(1)應(yīng)用系統(tǒng)中無片外RAM

2/6/202346青島大學(xué)機電學(xué)院(2)應(yīng)用系統(tǒng)中接有片外RAM2/6/202347青島大學(xué)機電學(xué)院由圖(b)可看出：（1）將ALE用作定時脈沖輸出時，執(zhí)行一次MOVX指令就會丟失一個脈沖。（2）只有在執(zhí)行MOVX指令時的第二個機器周期期間，地址總線才由數(shù)據(jù)存儲器使用。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。

下圖為外擴16K字節(jié)的EPROM27128的接口電路圖。2/6/202348青島大學(xué)機電學(xué)院2/6/202349青島大學(xué)機電學(xué)院MCS-51外擴單片32K字節(jié)的EPROM27256的接口。

2/6/202350青島大學(xué)機電學(xué)院EEPROM擴展實例電擦除可編程只讀存儲器EEPROM是一種可用電氣方法在線擦除和再編程的只讀存儲器，它既有RAM可讀可改寫的特性，又具有非易失性存儲器ROM在掉電后仍能保持所存儲數(shù)據(jù)的優(yōu)點。因此，EEPROM在單片機存儲器擴展中，可以用作程序存儲器，也可以用作數(shù)據(jù)存儲器，至于具體做什么使用，由硬件電路確定。

EEPROM作為程序存儲器使用時，CPU讀取EEPROM數(shù)據(jù)同讀取一般EPROM操作相同；但EEPROM的寫入時間較長，必須用軟件或硬件來檢測寫入周期。2/6/202351青島大學(xué)機電學(xué)院例

在8031單片機上擴展2KBEEPROM。

(1)選擇芯片。

2816A和2817A均屬于5V電擦除可編程只讀存儲器，其容量都是2K×8位。2816A與2817A的不同之處在于：2816A的寫入時間為9～15ms，完全由軟件延時控制，與硬件電路無關(guān)；2817A利用硬件引腳來檢測寫操作是否完成。

在此，我們選用2817A芯片來完成擴展2KBEEPROM，2817A的封裝是DIP28，采用單一+5V供電，最大工作電流為150mA，維持電流為55mA，讀出時間最大為250ns。片內(nèi)設(shè)有編程所需的高壓脈沖產(chǎn)生電路，無需外加編程電源和寫入脈沖即可工作。2/6/202352青島大學(xué)機電學(xué)院

2817A在寫入一個字節(jié)的指令碼或數(shù)據(jù)之前，自動地對所要寫入的單元進(jìn)行擦除，因而無需進(jìn)行專門的字節(jié)/芯片擦除操作。2817A的管腳如圖7.4所示。其中，A0～A10為地址線；I/O0～I(xiàn)/O7為讀寫數(shù)據(jù)線；為片選線；為讀允許線，低電平有效；為寫允許線，低電平有效；為低電平時，表示2817A正在寫操作，處于忙狀態(tài)，高電平時，表示寫操作完畢；VCC為+5V電源；GND為接地端。

2817A的讀操作與普通EPROM的讀出相同，所不同的只是可以在線進(jìn)行字節(jié)的寫入。2/6/202353青島大學(xué)機電學(xué)院圖8.42817A的管腳

2/6/202354青島大學(xué)機電學(xué)院

2817A的寫入過程如下：CPU向2817A發(fā)出字節(jié)寫入命令后，2817A便鎖存地址、數(shù)據(jù)及控制信號，從而啟動一次寫操作。2817A的寫入時間大約為16ms左右，在此期間，2817A的腳呈低電平，表示2817A正在進(jìn)行寫操作，此時它的數(shù)據(jù)總線呈高阻狀態(tài)，因而允許CPU在此期間執(zhí)行其它的任務(wù)。當(dāng)一次字節(jié)寫入操作完畢，2817A便將線置高，由此來通知CPU。

(2)硬件電路圖。單片機擴展2817A的硬件電路圖如圖8.5所示。2/6/202355青島大學(xué)機電學(xué)院圖

單片機擴展2817AEEPROM電路

2/6/202356青島大學(xué)機電學(xué)院

(3)連線說明：①地址線。圖7.5中，2817A的11條地址線（A0～A10，容量為2K×8位，211=2×1024=2K）中的低8位A0～A7通過鎖存器74LS373與P0口連接，高3位A8～A10直接與P2口的P2.0～P2.2連接。②數(shù)據(jù)線。2817A的8位數(shù)據(jù)線直接與單片機的P0口相連。③控制線。單片機與2817A的控制線連接采用了將外部數(shù)據(jù)存儲器空間和程序存儲器空間合并的方法，使得2817A既可以作為程序存儲器使用，又可以作為數(shù)據(jù)存儲器使用。單片機中用于控制存儲器的管腳有以三個：2/6/202357青島大學(xué)機電學(xué)院

——控制程序存儲器的讀操作，執(zhí)行指令的取指階段和執(zhí)行MOVCA,@A+DPTR指令時有效；

——控制數(shù)據(jù)存儲器的讀操作，執(zhí)行MOVX@DPTR,A和MOVX@Ri,A時有效；

——控制數(shù)據(jù)存儲器的寫操作，執(zhí)行MOVXA,@DPTR和MOVXA,@Ri時有效。在圖7.5中，2817A控制線的連線方法如下：：直接接地。由于系統(tǒng)中只擴展了一個程序存儲器芯片，因此片選端直接接地，表示2817A一直被選中。2/6/202358青島大學(xué)機電學(xué)院：8031的程序存儲器讀選通信號和數(shù)據(jù)存儲器讀信號經(jīng)過“與”操作后，與2817A的讀允許信號相連。這樣，只要、中有一個有效，就可以對2817A進(jìn)行讀操作了。也就是說，對2817A既可以看作程序存儲器取指令，也可以看作數(shù)據(jù)存儲器讀出數(shù)據(jù)。：與8031的數(shù)據(jù)存儲器寫信號相連，只要執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲器寫操作指令，就可以往2817A中寫入數(shù)據(jù)。