MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

主要內(nèi)容：
第八部分 MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展（1）
1、 概述
2、 系統(tǒng)總線及總線構(gòu)造
3、 讀寫控制、地址空間分配和外部地址鎖存器
4、 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展

重點(diǎn)：系統(tǒng)總線及總線構(gòu)造
存儲(chǔ)器地址空間分配
外部地址鎖存器74LS373
典型的外擴(kuò)存儲(chǔ)器的接口電路

難點(diǎn)：存儲(chǔ)器地址空間分配

第8部分 MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)
8.1 概述
片內(nèi)的資源如不滿足需要，需外擴(kuò)存儲(chǔ)器和I/O功能部件：系統(tǒng)擴(kuò)展問題，內(nèi)容主要有：
(1)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展（外部存儲(chǔ)器又分為外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）
(2) I/O接口部件的擴(kuò)展。
本章介紹MCS – 51單片機(jī)如何擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，I/O接口部件的擴(kuò)展下一章介紹。
MCS-51單片機(jī)外部存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu):哈佛結(jié)構(gòu) 。
MCS-96單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu):普林斯頓結(jié)構(gòu)。
MCS-51數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的最大擴(kuò)展空間各為64KB。
系統(tǒng)擴(kuò)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（Adress Bus,簡寫AB）
2.數(shù)據(jù)總線(Data Bus，簡寫DB)
3.控制總線（Control Bus，簡寫CB）
8.2.2 構(gòu)造系統(tǒng)總線
系統(tǒng)擴(kuò)展的首要問題:
構(gòu)造系統(tǒng)總線，然后再往系統(tǒng)總線上“掛”存儲(chǔ)器芯片或I/O接口芯片，“掛”存儲(chǔ)器芯片就是存儲(chǔ)器擴(kuò)展，“掛”I/O接口芯片就是I/O擴(kuò)展。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。地址鎖存器一 般采用74LS373，采用74LS373的地址總線的擴(kuò)展電路。
1.以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線。
2．以P2口的口線作高位地址線。
3.控制信號線。
*使用ALE信號作為低8位地址的鎖存控制信號。
*以PSEN*信號作為擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的讀選通信號。
*以EA*信號作為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器的選擇控制信號。
*由RD*和WR*信號作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口的讀選通、寫選通信號。
盡管MCS-51有4個(gè)并行I/O口，共32條口線，但由于系統(tǒng)擴(kuò)展需要，真正作為數(shù)據(jù)I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口線。
8.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)的串行擴(kuò)展技術(shù)
優(yōu)點(diǎn)：串行接口器件體積小，與單片機(jī)接口時(shí)需要的I/O口線很少（僅需3-4根），提高可靠性。
串行擴(kuò)展可以減少芯片的封裝引腳，降低成本，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)擴(kuò)展的靈活性。為實(shí)現(xiàn)串行擴(kuò)展，一些公司（例如PHILIPS和ATMEL公司 等）已經(jīng)推出了非總線型單片機(jī)芯片，并且具有SPI（Serial Periperal Interface）三線總線和I2C公用雙總線的兩種串行總線形式。與此相配套，也推出了相應(yīng)的串行外圍接口芯片。
缺點(diǎn):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(kuò)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(chǔ)器擴(kuò)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(chǔ)器地址空間分配
MCS-51發(fā)出的地址是用來選擇某個(gè)存儲(chǔ)器單元進(jìn)行讀寫，要完成這種功能，必須進(jìn)行兩種選擇： “片選”和 “單元選擇”。存儲(chǔ)器空間分配除考慮地址線連接外，還討論各存儲(chǔ)器芯片在整個(gè)存儲(chǔ)空間中所占據(jù)的地址范圍，常用的存儲(chǔ)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）。
1. 線選法
直接利用系統(tǒng)的高位地址線作為存儲(chǔ)器芯片（或I/O接口芯片）的片選信號。
優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，不需要地址譯碼器硬件，體積小，成本低。
缺點(diǎn)：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(kuò)8KB的EPROM（2片2732），4KB的RAM（2片6116），這些芯片與MCS-51單片機(jī)地址分配有關(guān)的地址線連線。
2732:4KB程序存儲(chǔ)器，有12根地址線A0～A11，分別與單片機(jī)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）。當(dāng)要選中某個(gè)芯片時(shí)，單片機(jī)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。
6116:2KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。
兩片程序存儲(chǔ)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。
線選法特點(diǎn)：簡單明了，不需另外增加硬件電路。只適于外擴(kuò)芯片不多，規(guī)模不大的單片機(jī)系統(tǒng)。
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(jì)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(gè)固定編碼時(shí)，其輸出只有某一個(gè)固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。
下面以74LS138為例, 介紹如何進(jìn)行地址分配。
例 要擴(kuò)8片8KB的RAM 6264，如何通過74LS138把64KB空間分配給各個(gè)芯片？
采用的是全地址譯碼方式，單片機(jī)發(fā)地址碼時(shí)，每次只能選中一個(gè)存儲(chǔ)單元。同類存儲(chǔ)器間不會(huì)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？
8.3.3 外部地址鎖存器
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。
引腳說明如下:
D7～D0: 8位數(shù)據(jù)輸入線。
Q7～Q0: 8位數(shù)據(jù)輸出線。
G:數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號,
OE*: 數(shù)據(jù)輸出允許信號
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。
引腳的排列為繪制印刷電路板時(shí)的布線提供了方便。
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(shí)的布線提供了方便。
8.4 程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展
采用只讀存儲(chǔ)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(dú)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(chǔ)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）Flash ROM
又稱閃爍存儲(chǔ)器，簡稱閃存。大有取代E2PROM的趨勢。
8.4.1 常用EPROM芯片介紹
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）。 “27”后面的數(shù)字表示其位存儲(chǔ)容量。擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)盡量用大容量的芯片。
1.常用的EPROM芯片
引腳功能如下：
A0～A15：地址線引腳。數(shù)目決定存儲(chǔ)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(shí)，加編程脈沖的輸入端
Vpp：編程時(shí)，編程電壓（+12V或+25V）輸入端
Vcc：+5V，芯片的工作電壓。
GND：數(shù)字地。
NC：無用端
2. EPROM芯片的工作方式
（1）讀出方式
片選控制線為低,同時(shí)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(yàn)方式
（5）編程禁止方式
輸出呈高阻狀態(tài)，不寫入程序。
8.4.2 程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序
1. 訪問程序存儲(chǔ)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(kuò)EPROM的OE*腳。
P0口:分時(shí)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(shí)序
(1) 應(yīng)用系統(tǒng)中無片外RAM
(2) 應(yīng)用系統(tǒng)中接有片外RAM
由圖(b)可看出：
（1）將ALE用作定時(shí)脈沖輸出時(shí)，執(zhí)行一次MOVX指令就會(huì)丟失一個(gè)脈沖。
（2）只有在執(zhí)行MOVX指令時(shí)的第二個(gè)機(jī)器周期期間，地址總線才由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。
8.4.3 典型的EPROM接口電路
1.使用單片EPROM的擴(kuò)展電路
2716、2732 EPROM價(jià)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(kuò)16K字節(jié)的EPROM 27128的接口電路圖 。
MCS-51外擴(kuò)單片32K字節(jié)的EPROM 27256的接口。
2程序存儲(chǔ)器所占的地址空間，自己分析。
3. 使用多片EPROM的擴(kuò)展電路
MCS-51擴(kuò)展4片27128。