MCS-51单片机存储器扩展

主要内容：
第八部分 MCS-51单片机存储器扩展（1）
1、 概述
2、 系统总线及总线构造
3、 读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器
4、 程序存储器EPROM的扩展

重点：系统总线及总线构造
存储器地址空间分配
外部地址锁存器74LS373
典型的外扩存储器的接口电路

难点：存储器地址空间分配

第8部分 MCS-51单片机扩展存储器的设计
8.1 概述
片内的资源如不满足需要，需外扩存储器和I/O功能部件：系统扩展问题，内容主要有：
(1)外部存储器的扩展（外部存储器又分为外部程序存储器和外部数据存储器）
(2) I/O接口部件的扩展。
本章介绍MCS – 51单片机如何扩展外部存储器，I/O接口部件的扩展下一章介绍。
MCS-51单片机外部存储器结构:哈佛结构 。
MCS-96单片机的存储器结构:普林斯顿结构。
MCS-51数据存储器和程序存储器的最大扩展空间各为64KB。
系统扩展首先要构造系统总线。
8.2 系统总线及总线构造
8.2.1 系统总线
按其功能通常把系统总线分为三组：
1.地址总线（Adress Bus,简写AB）
2.数据总线(Data Bus，简写DB)
3.控制总线（Control Bus，简写CB）
8.2.2 构造系统总线
系统扩展的首要问题:
构造系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储器芯片或I/O接口芯片，“挂”存储器芯片就是存储器扩展，“挂”I/O接口芯片就是I/O扩展。MCS- 51由于受引脚数目的限制，数据线和低8位地址线复用。为了将它们分离出来，需要外加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线。地址锁存器一 般采用74LS373，采用74LS373的地址总线的扩展电路。
1.以P0口作为低8位地址/数据总线。
2．以P2口的口线作高位地址线。
3.控制信号线。
*使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。
*以PSEN*信号作为扩展程序存储器的读选通信号。
*以EA*信号作为内外程序存储器的选择控制信号。
*由RD*和WR*信号作为扩展数据存储器和I/O口的读选通、写选通信号。
尽管MCS-51有4个并行I/O口，共32条口线，但由于系统扩展需要，真正作为数据I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口线。
8.2.3 单片机系统的串行扩展技术
优点：串行接口器件体积小，与单片机接口时需要的I/O口线很少（仅需3-4根），提高可靠性。
串行扩展可以减少芯片的封装引脚，降低成本，简化了系统结构，增加了系统扩展的灵活性。为实现串行扩展，一些公司（例如PHILIPS和ATMEL公司 等）已经推出了非总线型单片机芯片，并且具有SPI（Serial Periperal Interface）三线总线和I2C公用双总线的两种串行总线形式。与此相配套，也推出了相应的串行外围接口芯片。
缺点:串行接口器件速度较慢在大多数应用的场合，还是并行扩展占主导地位。
8.3 读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器
8.3.1 存储器扩展的读写控制
RAM芯片：读写控制引脚，记为OE*和WE* ，与MCS-51的RD*和WR*相连。
EPROM芯片：只能读出，故只有读出引脚，记为OE* ，该引脚与MCS-51的PSEN*相连。
8.3.2 存储器地址空间分配
MCS-51发出的地址是用来选择某个存储器单元进行读写，要完成这种功能，必须进行两种选择： “片选”和 “单元选择”。存储器空间分配除考虑地址线连接外，还讨论各存储器芯片在整个存储空间中所占据的地址范围，常用的存储器地址分配的方法有两种：线性选择法 （简称线选法）和地址译码法（简称译码法）。
1. 线选法
直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的片选信号。
优点：电路简单，不需要地址译码器硬件，体积小，成本低。
缺点：可寻址的器件数目受到限制，地址空间不连续，地址不唯一。
例 某一系统，需要外扩8KB的EPROM（2片2732），4KB的RAM（2片6116），这些芯片与MCS-51单片机地址分配有关的地址线连线。
2732:4KB程序存储器，有12根地址线A0～A11，分别与单片机的P0口及P2.0～P2.3口相连。2732（1）的片选端接 A15（P2.7），2732（2）的片选端接A14（P2.6）。当要选中某个芯片时，单片机P2口对应的片选信号引脚应为低电平，其它引脚一定要为高 电平。
6116:2KB数据存储器，需要11根地址线作为单元的选择，而剩下的P2口线（P2.4～P2.7）作为片选线。
两片程序存储器的地址范围：
2732（1）的地址范围：7000H～7FFFH;
2732（2）的地址范围: B000H～BFFFH;
6116（1）的地址范围：E800H～EFFFH;
6116（2）的地址范围：D800H～DFFFH。
线选法特点：简单明了，不需另外增加硬件电路。只适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统。
2. 译码法
最常用的译码器芯片：74LS138（3-8译码器）74LS139（双2-4译码器）74LS154（4-16译码器）。可根据设计任务的要求，产生片选信号。全译码：全部高位地址线都参加译码；部分译码：仅部分高位地址线参加译码。
(1)74LS138（3～8译码器）
引脚如图8-5，译码功能如表8-1（P167）所示。当译码器的输入为某一个固定编码时，其输出只有某一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。
下面以74LS138为例, 介绍如何进行地址分配。
例 要扩8片8KB的RAM 6264，如何通过74LS138把64KB空间分配给各个芯片？
采用的是全地址译码方式，单片机发地址码时，每次只能选中一个存储单元。同类存储器间不会产生地址重叠的问题。如果用74LS138把64K空间全部划分为每块4KB，如何划分呢？
8.3.3 外部地址锁存器
常用的地址锁存器芯片有: 74LS373、8282、74LS573等。
1. 锁存器74LS373
带有三态门的8D锁存器,其引脚其内部结构如下图。
引脚说明如下:
D7～D0: 8位数据输入线。
Q7～Q0: 8位数据输出线。
G:数据输入锁存选通信号,
OE*: 数据输出允许信号
2. 锁存器8282
功能及内部结构与74LS373完全一样，只是其引脚的排列与74LS373不同 ，8282的引脚如下图。
引脚的排列为绘制印刷电路板时的布线提供了方便。
3．锁存器74LS573
输入的D端和输出的Q端也是依次排在芯片的两侧，与锁存器8282一样，为绘制印刷电路板时的布线提供了方便。
8.4 程序存储器EPROM的扩展
采用只读存储器，非易失性。
（1）掩膜ROM
在制造过程中编程。成本较高，因此只适合于大批量生产。
（2）可编程ROM（PROM）
用独立的编程器写入。但PROM只能写入一次，且不能再修改。
（3）EPROM
电信号编程，紫外线擦除的只读存储器芯片。
（4）E2PROM（ EEPROM）
电信号编程，电信号擦除的ROM芯片。读写操作与RAM几乎没有什么差别，只是写入的速度慢一些。但断电后能够保存信息。
（5）Flash ROM
又称闪烁存储器，简称闪存。大有取代E2PROM的趋势。
8.4.1 常用EPROM芯片介绍
典型芯片是27系列产品，例如， 2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）。 “27”后面的数字表示其位存储容量。扩展程序存储器时，应尽量用大容量的芯片。
1.常用的EPROM芯片
引脚功能如下：
A0～A15：地址线引脚。数目决定存储容量来定，用
来进行单元选择。
D7～D0：数据线引脚
CE*：片选输入端
OE* ：输出允许控制端
PGM*：编程时，加编程脉冲的输入端
Vpp：编程时，编程电压（+12V或+25V）输入端
Vcc：+5V，芯片的工作电压。
GND：数字地。
NC：无用端
2. EPROM芯片的工作方式
（1）读出方式
片选控制线为低,同时输出允许控制线为低，Vpp为+5V，指定地址单元的内容从D7～D0上读出。
（2）未选中方式 片选控制线为高电平。
（3）编程方式
Vpp端加上规定高压, CE*和OE*端加合适电平(不同的芯片要求不同)，就能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。
（4）编程校验方式
（5）编程禁止方式
输出呈高阻状态，不写入程序。
8.4.2 程序存储器的操作时序
1. 访问程序存储器的控制信号
（1）ALE
（2）PSEN*
（3）EA*
如果指令是从片外EPROM中读取，ALE用于低8位地址锁存，PSEN*接外扩EPROM的OE*脚。
P0口:分时低8位地址总线和数据总线，P2口:高8位地址线。
2. 操作时序
(1) 应用系统中无片外RAM
(2) 应用系统中接有片外RAM
由图(b)可看出：
（1）将ALE用作定时脉冲输出时，执行一次MOVX指令就会丢失一个脉冲。
（2）只有在执行MOVX指令时的第二个机器周期期间，地址总线才由数据存储器使用。
8.4.3 典型的EPROM接口电路
1.使用单片EPROM的扩展电路
2716、2732 EPROM价格贵，容量小，且难以买到。
仅介绍2764、27128、27256、27512芯片的接口电路。
下图为外扩16K字节的EPROM 27128的接口电路图 。
MCS-51外扩单片32K字节的EPROM 27256的接口。
2程序存储器所占的地址空间，自己分析。
3. 使用多片EPROM的扩展电路
MCS-51扩展4片27128。