第5章 存儲器擴(kuò)展技術(shù)

1、主講：陳燕慧,2006年4月,第5章 51系列單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展,一、半導(dǎo)體存儲器的分類,根據(jù)存儲介質(zhì)不同，可分為: 半導(dǎo)體存儲器，磁心存儲器，電耦合存儲器。 目前，計算機(jī)內(nèi)部均采用半導(dǎo)體存儲器，只討論半導(dǎo)體存儲器， 按照存儲器的存取功能不同，半導(dǎo)體存儲器可分為 1)只讀存儲器（Read Only Memory，簡稱ROM） 2)隨機(jī)存儲器（Random Access Memory，簡稱 RAM） 3)串行存

2、儲器。,1.只讀存儲器（ROM）,功能：用于存放程序，常數(shù)和表格常數(shù)等。 特點：把信息寫入存儲器后，能長期保存，不會因電源斷電而丟失信息，在計算機(jī)運行過程中，只能讀出信息，不能再寫入信息。一旦寫入信息，不能隨意更改。 根據(jù)編程方式的不同，ROM可分為以下5種：,1) 掩模工藝ROM 特點：編程是由制造廠完成，即在生產(chǎn)過程中進(jìn)行編程。用戶不能改變其內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，適于大批量生產(chǎn)。,2) 可一次性編程ROM（PR

3、OM） 特點：程序是由用戶寫入，只能寫一次，但不能再進(jìn)行修改。3) 紫外線擦除可改寫ROM（EPPROM） 特點：用電信號編程而用紫外線擦除。程序由用戶寫入，運行多次擦除和重新寫入。 典型產(chǎn)品型號有： Intel公司27系列產(chǎn)品：2716（2KB×8），2732（4KB×8），2764（8KB×8），27128（16KB×8），27256

4、（16KB×8）等。,4) 電擦除可改寫ROM（EEPROM或E2PROM） 特點：用電信號編程也用電信號擦除。可以通過讀寫操作進(jìn)行逐個存儲單元讀出和寫入，讀寫操作與RAM存儲器差不多，只是寫入速度慢一些。但斷電后能保存信息。 典型產(chǎn)品型號有：28C16、28C17、2817等。5) 快擦寫ROM（閃速存儲器即Flash ROM） 特點：是在EPPROM和E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展

5、的一種ROM，讀寫速度很快。存取時間達(dá)70ns（納秒），存儲容量達(dá)16~128MB。改寫次數(shù)可達(dá)1萬~100萬次?？稍诰€寫入，自動覆蓋內(nèi)容，可按頁連續(xù)字節(jié)寫入。 典型產(chǎn)品型號有：28F256、28F516、AT89等。,2.隨機(jī)存儲器RAM,功能： 用于存放可隨時修改的數(shù)據(jù)，常用于單片機(jī)控制領(lǐng)域。但是掉電后信息立刻消失。這時在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要有掉電保護(hù)電路路，以便及時提供備用電源，防止因掉電信息丟失。 按制造

6、工藝可分為：1）雙極性RAM 特點：存取時間短，一般為幾到十幾納秒。與MOS型相比，集成度較低，功耗大，價格較高。 應(yīng)用場合：主要用于存取時間短微型計算機(jī)中。,2）MOS（金屬氧化物）RAM 特點：與雙極性RAM相反。在單片機(jī)系統(tǒng)中一般使用此種類型。 按工作方式不同，可分為： 靜態(tài)讀寫存儲器SRAM（Static Random Access Memory）特點：集成度比較高，功耗比雙極性RA

7、M低，價格也比較便宜。 動態(tài)讀寫存儲器DRAM（Dynamic Random Access Memory）特點：集成度很高，功耗、價格比SRAM低。,是一種CMOS工藝制成的電擦除可編程ROM，最近逐漸發(fā)展的。 典型產(chǎn)品：二線制24CXX系列產(chǎn)品，三線制93CXX系列產(chǎn)品。,3.串行存儲器,二、存儲器的主要性能指標(biāo),1. 存儲容量：通常用某一芯片有多少個存儲單元、每個存儲單元存儲若干未來表示。例如：靜態(tài)RAM6264

8、的容量為8K×8，表示有8K個單元（1K=1024），每個單元存儲8位（一個字節(jié)）數(shù)據(jù)。2. 存取時間 即存取芯片中某一個單元的數(shù)據(jù)所需要的時間。在計算機(jī)工作時，CPU在讀寫RAM時，它所提供的讀寫時間必須比RAM芯片所需要的存取時間長。如果不滿足，微機(jī)則無法正常工作。,3）可靠性 微型計算機(jī)要正確地運行，必須要求存儲器系統(tǒng)具有很高的可靠性。內(nèi)存的任何錯誤就可以導(dǎo)致計算機(jī)無法工作。4）功耗 使用功耗

9、低的存儲器芯片構(gòu)成存儲系統(tǒng)，不僅可以減少對電源容量的要求，而且可以提高存儲系統(tǒng)的可靠性。,三、單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng),1、8051/8751/80C51/87C51硬件最小應(yīng)用系統(tǒng),片內(nèi)有4KB的掩模ROM/EPROM，其自身可以構(gòu)成最小系統(tǒng)，再加上復(fù)位電路、時鐘電路、 引腳接高電平，即可通電工作。硬件電路如圖5.1a所示：,這種最小應(yīng)用系統(tǒng)具有以下特點：1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠；2）有大量的I/O線供用戶使用，P0~P3口共32根I

10、/O均可作為輸入/輸出線使用。3）內(nèi)部存儲容量有限，只有128B的內(nèi)部RAM和一些特殊功能即存期以及4KB的內(nèi)部ROM/EPROM。,2. 8031/80C31最小應(yīng)用系統(tǒng),用這兩種芯片構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，由于片內(nèi)無ROM，所以必須在片外擴(kuò)展程序存儲器，常選用EPROM芯片。在外擴(kuò)ROM時，必須接上地址鎖存器，硬件電路如圖5.1b所示：,由硬件電路可知，該系統(tǒng)包括8031/80C31、2764EPROM、74LS373地址鎖存器、時鐘

11、電路和復(fù)位電路。 引腳接地，使CPU只能選擇外部程序存儲器，并執(zhí)行ROM中的程序。ALE引腳接74LS373的G端。特點： 1）P0口用在低8位地址線/數(shù)據(jù)線，P2口用在高8位地址線，都不能再作為通用I/O接口使用。 2）使用外部ROM，其容量最高為64KB。而片外ROM可選擇EPROM、EEPROM、PEROM芯片，方便改寫程序。 3）價格低廉，應(yīng)用較多。,四、單片機(jī)程序存儲器的擴(kuò)展,單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)只能適用簡

12、單的應(yīng)用系統(tǒng)。而對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，必須進(jìn)行外擴(kuò)ROM、RAM、I/O等。 系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)如圖5.2所示：,總線就是連接計算機(jī)各部件的一組公共信號，按功能分為三組總線。1) 地址總線AB（Address Bus）： 16根地址線，可尋址范圍達(dá)216=64K，由P0口和P2口構(gòu)建，低8位由P0口經(jīng)地址鎖存器提供，高8位由P2口提供。單向總線。 由于P0口是數(shù)據(jù)、地址分時復(fù)用的，故P0接口輸出的低8位地址必須用地址鎖存器進(jìn)

13、行鎖存。2) 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus） 用于在單片機(jī)與存儲器、I/O口之間相互傳遞數(shù)據(jù)。寬度為8位，由P0口提供，是雙向總線。3) 控制總線CB（Control Bus） 是第二功能信號線，包括ALE、PSEN、RD、WR等。用于地址鎖存控制、片外ROM選通、讀/寫控制和片內(nèi)、片外ROM選擇等。為準(zhǔn)雙向總線。,五、程序存儲器的擴(kuò)展,51系列單片機(jī)的基本擴(kuò)展電路如圖5.3所示：,結(jié)論：,1） P0口作低8位

14、地址線/數(shù)據(jù)線 P0口分時提供低8位地址信號和數(shù)據(jù)信號。 2）P2口作為高8位地址線與低8位構(gòu)成16位地址總線，使擴(kuò)展系統(tǒng)尋址達(dá)64KB。 3）控制信號,PSEN：程序存儲器的讀選通信號；ALE： 地址鎖存信號；EA： 片內(nèi)、片內(nèi)程序存儲器的選擇信號；和I/O端口 的讀選通信號；RD： 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器和I/O端口的讀選通信號；WR： 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器和I/O端口的寫選通信號。,1、總線構(gòu)造,2、常用的地址鎖

15、存器,74LS373和8282為高電平跟隨，低電平鎖存。即低電平有效。74LS273為上升沿鎖存。即上升沿有效。,3、常用的譯碼器,定義： 譯碼器就是對系統(tǒng)的高位地址進(jìn)行譯碼，以其譯碼輸出作為存儲芯片的片選信號。優(yōu)點： 能有效地利用空間，存儲空間，存儲空間連續(xù)，適用于大容量多芯片存儲器擴(kuò)展。常用的譯碼芯片有：74LS139（雙2-4譯碼器）和74LS138（3-8譯碼器）等。,1）74LS139譯碼器是2-

16、4譯碼器，即對2個輸入信號進(jìn)行譯碼，得到4個輸出狀態(tài)。其引腳如圖5.4所示：,G：勢能端，低電平有效。A、B：選擇端,即譯碼器輸入端；Y0、Y1、Y2、Y3:譯碼器輸出信 號，低電平有效。其真值表如表5-1所示：,2）74LS138譯碼器,是3-8譯碼器，即對3個輸入信號進(jìn)行譯碼，得到8個輸出狀態(tài)，其引腳如圖5.5所示：,E1、E2、E3:勢能端,用于引入控制信號。E1、E2低電平有效，E3高電平有效。A、B、C:選擇端,即譯

17、碼器信號輸入端。Y7～Y0:譯碼輸出信號，低電平有效.其真值表如表5.2所示：,3) 常用的EPROM,常用的EPROM27系列有：2716（2KB×8bit）、2732（4KB×8bit）、 2764（8KB×8bit）、27128（16KB×8bit）、27256（32KB×8bit）。,說明：“27”為系列號，后面的數(shù)字表示芯片的容量，其中2K、4K、8K等代表有多少個存儲

18、單元，也說明了地址線有多說根，“8bit”代表一個單元存放8為二進(jìn)制數(shù)，或者數(shù)據(jù)線有8根。,2764、27256和27512芯片引腳如圖5.6所示：,引腳功能如下：O0～O7：數(shù)據(jù)線；OE：數(shù)據(jù)允許輸出線，低電平有效；CE：片選信號輸入端，低電平有效；GND：接地端；PGM：編程脈沖輸入端；VPP：編程電源輸入端。,程序存儲器擴(kuò)展例題,例1：用一片27128EPROM擴(kuò)展16KB程序存儲器,解：電路圖如圖5.7所示：程序存儲器

19、的擴(kuò)展可分為以下幾個步驟：1）低8位地址線的連接： P0.0~P0.7經(jīng)鎖存起后與存儲器芯片27128的A0~A7相連接，2）高位地址線的連接： 27128共有14根地址線A0~A13，完成低8位地址線的連接后，剩下的A8~A13的高6位地址線，直接與P2.0～P2.5相連接。3）數(shù)據(jù)線連接： 27128的數(shù)據(jù)線D0~D7直接連接到P0.0~P0.7上。4）控制線的連接： ALE接鎖存器74LS373的使能端G

20、，PSEN連接27128的允許輸出端OE，對于8030/80C31單片機(jī)，EA要接地。5）27128的片選端CE的連接：直接接地。,例2、多片程序存儲器的擴(kuò)展,4）常用EEPROM（電擦除可編程只讀存儲器）擴(kuò)展,Intel公司常用芯片有：2816（2816A）、2817（2817A）、2864（2864A）優(yōu)點： 能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線電擦除和在線電寫入，不能在斷電情況下保持修改的結(jié)果。它比紫外線EPROM方便。應(yīng)用領(lǐng)域

21、： 智能儀表，控制裝置，分布式監(jiān)測系統(tǒng)子站，開發(fā)裝置等。,表5-3 Intel公司EEPROM典型產(chǎn)品主要性能,以Intel2864A為例介紹EEPROM的擴(kuò)展：,圖5.9 2864A 引腳及邏輯符號圖,表5-4 2864A的工作方式,1) 維持（待機(jī)）方式 當(dāng)CE為高電平時，2864A進(jìn)入功耗自動待機(jī)狀態(tài)，此時，數(shù)據(jù)輸出線呈高阻態(tài)。,2) 讀出方式 當(dāng)CE和OE均為低電平，而WE為高電平時，片內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖器開門，數(shù)據(jù)

22、被送到數(shù)據(jù)總線，可執(zhí)行讀操作。,3) 寫入方式 2864A寫入方式有兩種：字節(jié)寫入和頁寫入。,4) 數(shù)據(jù)查詢方式,是由軟件來檢測一個寫周期是否完成。,8031單片機(jī)擴(kuò)展2864A 的電路圖如圖5.10所示：,六、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展,1. 數(shù)據(jù)存儲器概述 51系列單片機(jī)內(nèi)部僅有128B的RAM，對于簡單的應(yīng)用場合，已夠用； 但是對于復(fù)雜場合，需要處理大量數(shù)據(jù)，這時必須外擴(kuò)RAM，最大可外擴(kuò)64KB。 擴(kuò)展中廣泛

23、應(yīng)用靜態(tài)RAM（SRAM）。,2. 單片機(jī)對片外RAM讀/寫指令 訪問外部RAM時，使用MOVX指令。 外部RAM通常設(shè)置兩個數(shù)據(jù)區(qū)：1） 低8位地址線尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū) 此區(qū)域?qū)ぶ房臻g為256B，CPU可以使用下列讀寫指令來訪問此存儲區(qū)： ① 讀存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVX A，@Ri ② 寫存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVX @R，A 由于8位尋址指令占用字節(jié)少，程序運行速度

24、快，所以經(jīng)常采用。,2）16位地址尋址的外部數(shù)據(jù)區(qū) 當(dāng)外部RAM容量較大，要訪問RAM地址空間大于256B時，需要采用16位尋址指令。 ① 讀存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVX A，@DPTR ② 寫存儲器數(shù)據(jù)指令：MOVX @DPTR，A由于DPTR位16位的地址指針，故可尋址64KBRAM單元。,3. 外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器常用的典型芯片 1）數(shù)據(jù)存儲器SRAM芯片,目前常用的靜態(tài)RAM芯片有Itel公司的6116、626

25、4、62128、62256，其主要性能指標(biāo)如下：,芯片引腳如下：,以6264芯片為例說明芯片的引腳以及擴(kuò)展電路的連接 引腳功能： A12～A0：13根地址線，芯片的容量為8K＝213個單元； D7~D0：8根三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線；,：片選信號輸入線，低電平有效；,：寫選通信號輸入線，低電平有效,CS ：片選信號輸入線，高電平有效，可用于掉電保護(hù)。,2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展電路A）單片數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 單片機(jī)與62

26、64的連接如下表所示：,硬件電路如下：,B）多片存儲器的擴(kuò)展例，用4片6116進(jìn)行8KB數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展線路連接如下表所示：,硬件電路連接如下：,習(xí)題,一、填空題1、51單片機(jī)可提供 和 兩種存儲器，最大存儲空間可達(dá) 兩個并行存儲器擴(kuò)展系統(tǒng)。2、為擴(kuò)展存儲器而構(gòu)成系統(tǒng)總線，應(yīng)以P0口的8位口線作為 線，以P2口的口線作為 線。3、訪

27、問內(nèi)部RAM使用 指令，訪問外部RAM使用 。4、在存儲器擴(kuò)展中，無論是線選法還是譯碼法，最終都是擴(kuò)展芯片的 端提供信號。,二、選擇題1、在51單片機(jī)中，為實現(xiàn)P0口線的數(shù)據(jù)和低位地址利用復(fù)用，應(yīng)使用（） a 地址鎖存器； b 地址寄存器 c 地址緩沖器； d 地址譯碼器2、下列信號中，不是給程序存儲器擴(kuò)展使用的是（）

28、 a PSEN ； b EA； c ALE； d WR3、下列信號中，不是給數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展使用的是（） a EA； b RD； c WR； d ALE,4、 如在系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片Intel 2732（4K×8），除應(yīng)使用P0口的8根口線外，至少應(yīng)使用P2的口線（） a 4條 ； b 5條； c