《單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展》課件

單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展隨著單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,對(duì)單片機(jī)存儲(chǔ)器的需求也在不斷提高。本節(jié)課程將探討單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法,幫助您更好地滿(mǎn)足復(fù)雜應(yīng)用的需求。單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單片機(jī)的存儲(chǔ)器由內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器組成。內(nèi)部存儲(chǔ)器包括ROM、RAM等,具有高速訪(fǎng)問(wèn)特性,但容量有限。外部存儲(chǔ)器可以根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展,容量更大,但訪(fǎng)問(wèn)速度較慢。單片機(jī)通過(guò)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)與外部存儲(chǔ)器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。單片機(jī)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能非常重要。單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的分類(lèi)1程序存儲(chǔ)器（ROM）用于存儲(chǔ)程序指令和固定數(shù)據(jù)，通常采用只讀存儲(chǔ)器。2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）用于存儲(chǔ)變量數(shù)據(jù)和臨時(shí)計(jì)算結(jié)果，具有讀寫(xiě)功能。3特殊功能寄存器（SFR）用于存儲(chǔ)控制單片機(jī)工作的各種模式和狀態(tài)信息。ROM內(nèi)部存儲(chǔ)器ROM是單片機(jī)內(nèi)部集成的只讀存儲(chǔ)器,用于存儲(chǔ)程序代碼和固定數(shù)據(jù)。程序存儲(chǔ)ROM可以在出廠時(shí)編程,提供單片機(jī)上電后直接執(zhí)行的代碼。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)ROM還可以用來(lái)存儲(chǔ)一些固定的參考數(shù)據(jù),如各種查找表、字庫(kù)等。EPROM可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM是一種可重復(fù)編程的存儲(chǔ)器,通過(guò)紫外線(xiàn)照射可以實(shí)現(xiàn)擦寫(xiě)操作。與普通ROM相比,EPROM具有可編程和可重復(fù)擦寫(xiě)的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)EPROM中存儲(chǔ)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?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。編程與擦寫(xiě)操作EPROM通過(guò)高壓編程,通過(guò)紫外線(xiàn)照射完成擦寫(xiě)操作。這種操作相對(duì)復(fù)雜,需要專(zhuān)門(mén)的編程設(shè)備。EEPROMEEPROM特點(diǎn)EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory）是一種可電子擦除和重新編程的只讀存儲(chǔ)器。與EPROM不同，EEPROM可以通過(guò)電子方式快速擦除和重新編程。EEPROM編程方式EEPROM通過(guò)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(jiǎn)單和高效。EEPROM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)EEPROM通常采用浮柵結(jié)構(gòu)實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。RAM易失性存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）是一種易失性存儲(chǔ)器,在斷電時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)被清除,需要持續(xù)供電才能保存數(shù)據(jù)?？焖僮x寫(xiě)RAM提供隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)和快速的讀寫(xiě)速度,適合作為中央處理器的主存儲(chǔ)器使用。多種類(lèi)型常見(jiàn)的RAM類(lèi)型包括SRAM、DRAM和SDRAM,各有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)據(jù)揮發(fā)性RAM數(shù)據(jù)在斷電時(shí)會(huì)丟失,需要額外的電池供電或定期刷新來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)。單片機(jī)外部存儲(chǔ)器的分類(lèi)1ROM（只讀存儲(chǔ)器）用于存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)，斷電不會(huì)丟失?？煞譃镸ASKROM和PROM。2SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）用于存儲(chǔ)變量數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。訪(fǎng)問(wèn)速度快。3DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）用于存儲(chǔ)大容量的數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。訪(fǎng)問(wèn)速度相比SRAM略慢。4FLASH存儲(chǔ)器可擦寫(xiě)、可編程的只讀存儲(chǔ)器。斷電不丟失數(shù)據(jù)，可多次擦寫(xiě)。外部ROM存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)外部ROM用于存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行所需的程序代碼和靜態(tài)數(shù)據(jù)。只讀存儲(chǔ)器外部ROM是只讀存儲(chǔ)器,無(wú)法通過(guò)單片機(jī)直接修改其中的內(nèi)容。外部擴(kuò)展當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)容量不足時(shí),可以通過(guò)外部ROM擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。外部SRAM特點(diǎn)外部SRAM是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)保存不依賴(lài)于外部電源,讀取速度快,適用于需要頻繁訪(fǎng)問(wèn)的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。工作原理SRAM單元由一組觸發(fā)器組成,通過(guò)地址線(xiàn)選擇單元并讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。無(wú)需刷新,可直接訪(fǎng)問(wèn)。應(yīng)用場(chǎng)景適用于存儲(chǔ)瞬時(shí)數(shù)據(jù)、以及頻繁讀寫(xiě)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(chǔ)。與內(nèi)部RAM的區(qū)別外部SRAM具有更大的存儲(chǔ)容量和更快的訪(fǎng)問(wèn)速度,但功耗較高,需要額外的接口電路。外部DRAM高容量?jī)?chǔ)存DRAM可以提供大容量的存儲(chǔ)空間,滿(mǎn)足單片機(jī)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。動(dòng)態(tài)刷新DRAM需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性,這增加了單片機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性?？焖僭L(fǎng)問(wèn)DRAM具有較高的訪(fǎng)問(wèn)速度,可滿(mǎn)足單片機(jī)對(duì)快速數(shù)據(jù)讀寫(xiě)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(jī)系統(tǒng)的整體功耗。外部FLASHFLASH芯片F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器,具有高密度、高可靠性和低功耗的特點(diǎn)。它可以提供大容量的存儲(chǔ)空間,廣泛應(yīng)用于單片機(jī)等嵌入式系統(tǒng)中。FLASH存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)FLASH存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)包括地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域的隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)。它還提供扇區(qū)擦除和字節(jié)編程的功能。FLASH存儲(chǔ)器應(yīng)用FLASH存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)、參數(shù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)緩存等場(chǎng)景,為系統(tǒng)提供了高效、可靠的存儲(chǔ)解決方案。外部存儲(chǔ)器的選址1地址空間劃分單片機(jī)的地址空間分為內(nèi)部和外部?jī)刹糠帧?外部存儲(chǔ)器選址通過(guò)片選信號(hào)控制外部存儲(chǔ)器的選擇。3地址譯碼電路利用地址線(xiàn)和片選信號(hào)構(gòu)建外部存儲(chǔ)器地址譯碼電路。單片機(jī)的地址空間包括內(nèi)部和外部?jī)刹糠郑獠看鎯?chǔ)器的選址則依賴(lài)于片選信號(hào)的控制。設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的地址譯碼電路可以根據(jù)地址線(xiàn)和片選信號(hào)，有效地選擇所需的外部存儲(chǔ)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。單片機(jī)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展的必要性?xún)?nèi)部存儲(chǔ)空間有限單片機(jī)內(nèi)部的ROM和RAM容量有限,無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜應(yīng)用的存儲(chǔ)需求。功能要求不斷提高隨著技術(shù)的發(fā)展,用戶(hù)對(duì)單片機(jī)的功能和性能要求不斷提高,需要更大容量的存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)處理量增大現(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用涉及大量圖像、視頻、語(yǔ)音等數(shù)據(jù),需要外部存儲(chǔ)器來(lái)滿(mǎn)足高容量和高速處理的需求。實(shí)時(shí)性要求提高許多單片機(jī)應(yīng)用要求實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng),這需要外部存儲(chǔ)器提供快速的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)能力。單片機(jī)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展的要求存儲(chǔ)容量大單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限,需要外部存儲(chǔ)器以滿(mǎn)足更大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。訪(fǎng)問(wèn)速度快外部存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間需要足夠短,以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)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(chǔ)器具有低功耗特性?？煽啃愿咄獠看鎯?chǔ)器應(yīng)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(yùn)行。單片機(jī)外部總線(xiàn)擴(kuò)展地址總線(xiàn)擴(kuò)展擴(kuò)展單片機(jī)的地址總線(xiàn)以支持更大的外部存儲(chǔ)器空間。數(shù)據(jù)總線(xiàn)擴(kuò)展擴(kuò)展單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)以支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度?？刂瓶偩€(xiàn)擴(kuò)展擴(kuò)展單片機(jī)的控制總線(xiàn)以提供更精細(xì)的外部設(shè)備控制能力。地址總線(xiàn)的擴(kuò)展1地址線(xiàn)數(shù)量擴(kuò)展單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器地址總線(xiàn)位寬有限，通過(guò)增加外部地址線(xiàn)數(shù)量擴(kuò)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(xiàn)映射到不同的存儲(chǔ)器區(qū)域，實(shí)現(xiàn)靈活的地址空間分配。3地址線(xiàn)時(shí)序控制需要精細(xì)控制地址線(xiàn)的建立時(shí)間和保持時(shí)間，以確保外部存儲(chǔ)器正確識(shí)別地址。數(shù)據(jù)總線(xiàn)的擴(kuò)展1地址譯碼對(duì)外部存儲(chǔ)器地址進(jìn)行譯碼和選擇2數(shù)據(jù)緩沖增強(qiáng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能力,隔離內(nèi)部總線(xiàn)3數(shù)據(jù)重定向?qū)?nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)與外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接通過(guò)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)與外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線(xiàn)的有效擴(kuò)展,滿(mǎn)足單片機(jī)外部存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的需求?？刂瓶偩€(xiàn)的擴(kuò)展1片選信號(hào)用于選擇所需的外部存儲(chǔ)器設(shè)備2讀寫(xiě)控制信號(hào)控制外部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作3時(shí)序控制信號(hào)保證數(shù)據(jù)在正確的時(shí)間讀寫(xiě)控制總線(xiàn)負(fù)責(zé)單片機(jī)與外部存儲(chǔ)器之間的控制信號(hào)傳輸。主要包括片選信號(hào)、讀寫(xiě)控制信號(hào)和時(shí)序控制信號(hào)。這些信號(hào)確保了單片機(jī)能夠正確地訪(fǎng)問(wèn)和操作外部存儲(chǔ)器設(shè)備?？刂瓶偩€(xiàn)的擴(kuò)展是單片機(jī)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展的關(guān)鍵部分。單片機(jī)外部存儲(chǔ)器的接口電路單片機(jī)外部存儲(chǔ)器需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口電路與單片機(jī)芯片相連。接口電路負(fù)責(zé)完成地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳遞,確保單片機(jī)能夠正確地讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器。常見(jiàn)的外部存儲(chǔ)器接口電路包括地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖、讀寫(xiě)控制等部分,根據(jù)不同的存儲(chǔ)器類(lèi)型采用不同的接口設(shè)計(jì)。這些電路確保單片機(jī)與外部存儲(chǔ)器之間的高效通信。單片機(jī)與ROM的接口單片機(jī)通常通過(guò)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)與ROM進(jìn)行通信。在讀取ROM時(shí)，單片機(jī)首先將ROM的地址輸出到地址總線(xiàn)上，然后通過(guò)讀控制信號(hào)使能ROM器件，將ROM中的數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。單片機(jī)可以訪(fǎng)問(wèn)的ROM種類(lèi)包括EPROM、EEPROM和FlashROM等。這些ROM都可以在電路運(yùn)行過(guò)程中被單片機(jī)動(dòng)態(tài)訪(fǎng)問(wèn)，從而擴(kuò)展單片機(jī)的程序存儲(chǔ)空間。單片機(jī)與SRAM的接口單片機(jī)與SRAM的接口是一種常見(jiàn)的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展方式。SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）具有高速訪(fǎng)問(wèn)、低功耗等特點(diǎn),非常適用于單片機(jī)系統(tǒng)中的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)擴(kuò)展單片機(jī)的地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn),可以將SRAM接入單片機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取。這種接口具有簡(jiǎn)單可靠、易于控制等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。單片機(jī)與DRAM的接口單片機(jī)與DRAM的接口通過(guò)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)相連。地址總線(xiàn)用于選擇DRAM中的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)總線(xiàn)用于傳輸數(shù)據(jù)，控制總線(xiàn)包括行地址選通信號(hào)(RAS)、列地址選通信號(hào)(CAS)等控制信號(hào)。在訪(fǎng)問(wèn)DRAM時(shí)需要首先給出行地址，然后給出列地址，最后給出讀寫(xiě)控制信號(hào)。DRAM的訪(fǎng)問(wèn)速度比SRAM慢，需要復(fù)雜的控制邏輯才能實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)與FLASH的接口單片機(jī)與FLASH存儲(chǔ)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(guò)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)與FLASH相連接，實(shí)現(xiàn)快速讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。串行接口通過(guò)SPI或I2C總線(xiàn)與FLASH相連，雖然速度較慢但線(xiàn)路數(shù)少，適合小容量FLASH的應(yīng)用。外部存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序地址建立時(shí)間在地址信號(hào)建立后，需要一定的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定地址線(xiàn)上的電平。讀/寫(xiě)操作當(dāng)?shù)刂贩€(wěn)定后，單片機(jī)會(huì)激活讀或?qū)懣刂菩盘?hào)以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭?。?shù)據(jù)建立時(shí)間在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，需要一定的時(shí)間使得數(shù)據(jù)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)信號(hào)能夠穩(wěn)定下來(lái)。數(shù)據(jù)保持時(shí)間在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，需要在控制信號(hào)撤消前保持一段時(shí)間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。單片機(jī)外部存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)存取時(shí)間存取時(shí)間指外部存儲(chǔ)器被單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)的響應(yīng)速度。快速的存取時(shí)間可以提高系統(tǒng)處理速度和實(shí)時(shí)性能。存取帶寬存取帶寬反映了外部存儲(chǔ)器單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。高帶寬能滿(mǎn)足大容量數(shù)據(jù)的快速存取需求。功耗存儲(chǔ)器的功耗直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的電源要求和發(fā)熱情況。低功耗存儲(chǔ)器可以減少系統(tǒng)成本和散熱問(wèn)題?？煽啃源鎯?chǔ)器的可靠性包括數(shù)據(jù)保存時(shí)間、工作溫度范圍、抗干擾能力等特性?？煽康拇鎯?chǔ)器能確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。存取時(shí)間1ns快速訪(fǎng)問(wèn)100ns中等訪(fǎng)問(wèn)1ms較慢訪(fǎng)問(wèn)10ms極慢訪(fǎng)問(wèn)存取時(shí)間是評(píng)判存儲(chǔ)器性能的關(guān)鍵指標(biāo)?？焖俚拇嫒r(shí)間對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)至關(guān)重要，能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理效率。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)存取時(shí)間有不同要求，需要根據(jù)具體需求選擇合適的存儲(chǔ)器。存取帶寬內(nèi)部RAM存取帶寬單片機(jī)內(nèi)部RAM具有很高的傳輸速度,通?？蛇_(dá)到幾百M(fèi)B/s的數(shù)據(jù)帶寬。這為單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理提供了基礎(chǔ)。外部存儲(chǔ)器存取帶寬與內(nèi)部RAM相比,外部存儲(chǔ)器的傳輸速度較低,通常在MB/s級(jí)別。這是單片機(jī)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。總線(xiàn)速度對(duì)帶寬的影響單片機(jī)外部總線(xiàn)的速度直接決定了外部存儲(chǔ)器的傳輸速度。增加總線(xiàn)位寬和提高總線(xiàn)頻率都可以提高外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)帶寬。功耗不同類(lèi)型的外部存儲(chǔ)器具有不同的功耗特性,這需要在選擇時(shí)予以考慮。ROM和EPROM的功耗較低,而SRAM、DRAM和FLASH的功耗較高。在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí),需根據(jù)具體需求權(quán)衡功耗與其他指標(biāo)的平衡?？煽啃钥煽啃灾笜?biāo)要求正常工作時(shí)間不小于5年故障率不大于50ppm（百