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1、第5章 51系列单片机的系统扩展,一、半导体存储器的分类,根据存储介质不同，可分为:半导体存储器，磁心存储器，电耦合存储器。目前，计算机内部均采用半导体存储器，只讨论半导体存储器，按照存储器的存取功能不同，半导体存储器可分为 1)只读存储器（Read Only Memory，简称ROM）2)随机存储器（Random Access Memory，简称 RAM）3)串行存储器。,1.只读存储器（ROM）,功能：用于存放程序，常数和表格常数等。特点：把信息写入存储器后，能长期保存，不会因电源断电而丢失信息，在计算机运行过程中，只能读出信息，不能再写入信息。一旦写入信息，不能随意更改。根据编程方式的不
2、同，ROM可分为以下5种：,1)掩模工艺ROM 特点：编程是由制造厂完成，即在生产过程中进行编程。用户不能改变其内容。结构简单，集成度高，适于大批量生产。,2)可一次性编程ROM（PROM）特点：程序是由用户写入，只能写一次，但不能再进行修改。3)紫外线擦除可改写ROM（EPPROM）特点：用电信号编程而用紫外线擦除。程序由用户写入，运行多次擦除和重新写入。典型产品型号有：Intel公司27系列产品：2716（2KB8），2732（4KB8），2764（8KB8），27128（16KB8），27256（16KB8）等。,4)电擦除可改写ROM（EEPROM或E2PROM）特点：用电信号编程也用
3、电信号擦除。可以通过读写操作进行逐个存储单元读出和写入，读写操作与RAM存储器差不多，只是写入速度慢一些。但断电后能保存信息。典型产品型号有：28C16、28C17、2817等。5)快擦写ROM（闪速存储器即Flash ROM）特点：是在EPPROM和E2PROM基础上发展的一种ROM，读写速度很快。存取时间达70ns（纳秒），存储容量达16128MB。改写次数可达1万100万次。可在线写入，自动覆盖内容，可按页连续字节写入。典型产品型号有：28F256、28F516、AT89等。,2.随机存储器RAM,功能：用于存放可随时修改的数据，常用于单片机控制领域。但是掉电后信息立刻消失。这时在单片机
4、应用系统要有掉电保护电路路，以便及时提供备用电源，防止因掉电信息丢失。按制造工艺可分为：1）双极性RAM 特点：存取时间短，一般为几到十几纳秒。与MOS型相比，集成度较低，功耗大，价格较高。应用场合：主要用于存取时间短微型计算机中。,2）MOS（金属氧化物）RAM 特点：与双极性RAM相反。在单片机系统中一般使用此种类型。按工作方式不同，可分为：静态读写存储器SRAM（Static Random Access Memory）特点：集成度比较高，功耗比双极性RAM低，价格也比较便宜。动态读写存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）特点：集成度很高，功耗、价格比S
5、RAM低。,是一种CMOS工艺制成的电擦除可编程ROM，最近逐渐发展的。典型产品：二线制24CXX系列产品，三线制93CXX系列产品。,3.串行存储器,二、存储器的主要性能指标,1.存储容量：通常用某一芯片有多少个存储单元、每个存储单元存储若干未来表示。例如：静态RAM6264的容量为8K8，表示有8K个单元（1K=1024），每个单元存储8位（一个字节）数据。2.存取时间 即存取芯片中某一个单元的数据所需要的时间。在计算机工作时，CPU在读写RAM时，它所提供的读写时间必须比RAM芯片所需要的存取时间长。如果不满足，微机则无法正常工作。,3）可靠性 微型计算机要正确地运行，必须要求存储器系统
6、具有很高的可靠性。内存的任何错误就可以导致计算机无法工作。4）功耗 使用功耗低的存储器芯片构成存储系统，不仅可以减少对电源容量的要求，而且可以提高存储系统的可靠性。,三、单片机最小应用系统,1、8051/8751/80C51/87C51硬件最小应用系统,片内有4KB的掩模ROM/EPROM，其自身可以构成最小系统，再加上复位电路、时钟电路、引脚接高电平，即可通电工作。硬件电路如图5.1a所示：,这种最小应用系统具有以下特点：1）系统结构简单、可靠；2）有大量的I/O线供用户使用，P0P3口共32根I/O均可作为输入/输出线使用。3）内部存储容量有限，只有128B的内部RAM和一些特殊功能即存期
7、以及4KB的内部ROM/EPROM。,2.8031/80C31最小应用系统,用这两种芯片构成最小应用系统时，由于片内无ROM，所以必须在片外扩展程序存储器，常选用EPROM芯片。在外扩ROM时，必须接上地址锁存器，硬件电路如图5.1b所示：,由硬件电路可知，该系统包括8031/80C31、2764EPROM、74LS373地址锁存器、时钟电路和复位电路。引脚接地，使CPU只能选择外部程序存储器，并执行ROM中的程序。ALE引脚接74LS373的G端。特点：1）P0口用在低8位地址线/数据线，P2口用在高8位地址线，都不能再作为通用I/O接口使用。2）使用外部ROM，其容量最高为64KB。而片外
8、ROM可选择EPROM、EEPROM、PEROM芯片，方便改写程序。3）价格低廉，应用较多。,四、单片机程序存储器的扩展,单片机最小应用系统只能适用简单的应用系统。而对于较为复杂的系统，必须进行外扩ROM、RAM、I/O等。系统扩展结构如图5.2所示：,总线就是连接计算机各部件的一组公共信号，按功能分为三组总线。1)地址总线AB（Address Bus）：16根地址线，可寻址范围达216=64K，由P0口和P2口构建，低8位由P0口经地址锁存器提供，高8位由P2口提供。单向总线。由于P0口是数据、地址分时复用的，故P0接口输出的低8位地址必须用地址锁存器进行锁存。2)数据总线DB（Data B
9、us）用于在单片机与存储器、I/O口之间相互传递数据。宽度为8位，由P0口提供，是双向总线。3)控制总线CB（Control Bus）是第二功能信号线，包括ALE、PSEN、RD、WR等。用于地址锁存控制、片外ROM选通、读/写控制和片内、片外ROM选择等。为准双向总线。,五、程序存储器的扩展,51系列单片机的基本扩展电路如图5.3所示：,结论：,1）P0口作低8位地址线/数据线 P0口分时提供低8位地址信号和数据信号。2）P2口作为高8位地址线与低8位构成16位地址总线，使扩展系统寻址达64KB。3）控制信号,PSEN：程序存储器的读选通信号；ALE：地址锁存信号；EA：片内、片内程序存储器
10、的选择信号；和I/O端口 的读选通信号；RD：扩展数据存储器和I/O端口的读选通信号；WR：扩展数据存储器和I/O端口的写选通信号。,1、总线构造,2、常用的地址锁存器,74LS373和8282为高电平跟随，低电平锁存。即低电平有效。74LS273为上升沿锁存。即上升沿有效。,3、常用的译码器,定义：译码器就是对系统的高位地址进行译码，以其译码输出作为存储芯片的片选信号。优点：能有效地利用空间，存储空间，存储空间连续，适用于大容量多芯片存储器扩展。常用的译码芯片有：74LS139（双2-4译码器）和74LS138（3-8译码器）等。,1）74LS139译码器是2-4译码器，即对2个输入信号进行
11、译码，得到4个输出状态。其引脚如图5.4所示：,G：势能端，低电平有效。A、B：选择端,即译码器输入端；Y0、Y1、Y2、Y3:译码器输出信 号，低电平有效。其真值表如表5-1所示：,2）74LS138译码器,是3-8译码器，即对3个输入信号进行译码，得到8个输出状态，其引脚如图5.5所示：,E1、E2、E3:势能端,用于引入控制信号。E1、E2低电平有效，E3高电平有效。A、B、C:选择端,即译码器信号输入端。Y7Y0:译码输出信号，低电平有效.其真值表如表5.2所示：,3)常用的EPROM,常用的EPROM27系列有：2716（2KB8bit）、2732（4KB8bit）、2764（8KB
12、8bit）、27128（16KB8bit）、27256（32KB8bit）。,说明：“27”为系列号，后面的数字表示芯片的容量，其中2K、4K、8K等代表有多少个存储单元，也说明了地址线有多说根，“8bit”代表一个单元存放8为二进制数，或者数据线有8根。,2764、27256和27512芯片引脚如图5.6所示：,引脚功能如下：O0O7：数据线；OE：数据允许输出线，低电平有效；CE：片选信号输入端，低电平有效；GND：接地端；PGM：编程脉冲输入端；VPP：编程电源输入端。,程序存储器扩展例题,例1：用一片27128EPROM扩展16KB程序存储器,解：电路图如图5.7所示：程序存储器的扩展
13、可分为以下几个步骤：1）低8位地址线的连接：P0.0P0.7经锁存起后与存储器芯片27128的A0A7相连接，2）高位地址线的连接：27128共有14根地址线A0A13，完成低8位地址线的连接后，剩下的A8A13的高6位地址线，直接与P2.0P2.5相连接。3）数据线连接：27128的数据线D0D7直接连接到P0.0P0.7上。4）控制线的连接：ALE接锁存器74LS373的使能端G，PSEN连接27128的允许输出端OE，对于8030/80C31单片机，EA要接地。5）27128的片选端CE的连接：直接接地。,例2、多片程序存储器的扩展,4）常用EEPROM（电擦除可编程只读存储器）扩展,I
14、ntel公司常用芯片有：2816（2816A）、2817（2817A）、2864（2864A）优点：能在应用系统中进行在线电擦除和在线电写入，不能在断电情况下保持修改的结果。它比紫外线EPROM方便。应用领域：智能仪表，控制装置，分布式监测系统子站，开发装置等。,表5-3 Intel公司EEPROM典型产品主要性能,以Intel2864A为例介绍EEPROM的扩展：,图5.9 2864A 引脚及逻辑符号图,表5-4 2864A的工作方式,1)维持（待机）方式 当CE为高电平时，2864A进入功耗自动待机状态，此时，数据输出线呈高阻态。,2)读出方式 当CE和OE均为低电平，而WE为高电平时，片
15、内数据缓冲器开门，数据被送到数据总线，可执行读操作。,3)写入方式 2864A写入方式有两种：字节写入和页写入。,4)数据查询方式,是由软件来检测一个写周期是否完成。,8031单片机扩展2864A 的电路图如图5.10所示：,六、数据存储器的扩展,1.数据存储器概述 51系列单片机内部仅有128B的RAM，对于简单的应用场合，已够用；但是对于复杂场合，需要处理大量数据，这时必须外扩RAM，最大可外扩64KB。扩展中广泛应用静态RAM（SRAM）。,2.单片机对片外RAM读/写指令 访问外部RAM时，使用MOVX指令。外部RAM通常设置两个数据区：1）低8位地址线寻址的外部数据区 此区域寻址空间
16、为256B，CPU可以使用下列读写指令来访问此存储区：读存储器数据指令：MOVX A，Ri 写存储器数据指令：MOVX R，A 由于8位寻址指令占用字节少，程序运行速度快，所以经常采用。,2）16位地址寻址的外部数据区 当外部RAM容量较大，要访问RAM地址空间大于256B时，需要采用16位寻址指令。读存储器数据指令：MOVX A，DPTR 写存储器数据指令：MOVX DPTR，A由于DPTR位16位的地址指针，故可寻址64KBRAM单元。,3.外扩数据存储器常用的典型芯片 1）数据存储器SRAM芯片,目前常用的静态RAM芯片有Itel公司的6116、6264、62128、62256，其主要性
17、能指标如下：,芯片引脚如下：,以6264芯片为例说明芯片的引脚以及扩展电路的连接 引脚功能：A12A0：13根地址线，芯片的容量为8K213个单元；D7D0：8根三态双向数据线；,：片选信号输入线，低电平有效；,：写选通信号输入线，低电平有效,CS：片选信号输入线，高电平有效，可用于掉电保护。,2）数据存储器的扩展电路A）单片数据存储器的扩展 单片机与6264的连接如下表所示：,硬件电路如下：,B）多片存储器的扩展例，用4片6116进行8KB数据存储器的扩展线路连接如下表所示：,硬件电路连接如下：,习题,一、填空题1、51单片机可提供 和 两种存储器，最大存储空间可达 两个并行存储器扩展系统。
18、2、为扩展存储器而构成系统总线，应以P0口的8位口线作为 线，以P2口的口线作为 线。3、访问内部RAM使用 指令，访问外部RAM使用。4、在存储器扩展中，无论是线选法还是译码法，最终都是扩展芯片的 端提供信号。,二、选择题1、在51单片机中，为实现P0口线的数据和低位地址利用复用，应使用（）a 地址锁存器；b 地址寄存器 c 地址缓冲器；d 地址译码器2、下列信号中，不是给程序存储器扩展使用的是（）a PSEN；b EA；c ALE；d WR3、下列信号中，不是给数据存储器扩展使用的是（）a EA；b RD；c WR；d ALE,4、如在系统中只扩展一片Intel 2732（4K8），除应使用P0口的8根口线外，至少应使用P2的口线（）a 4条；b 5条；c 6条；d 7条5、如在系统中只扩展两片Intel 2732（4K8），除应使用P0口的8根口线外，至少应使用P2的口线（）a 5条；b 6条；c 7条；d 8条,三、简答题1、扩展存储器时，为什么低8位地址要锁存，而高8位地址不锁存？2、对于80C31/8031单片机扩展程序存储器时，,如何连接？为什么？,
