1、第五章第五章 存儲器的擴展存儲器的擴展學習內容學習內容對于一些較大的應用系統，需要擴展一對于一些較大的應用系統，需要擴展一些外圍芯片，以補充片內硬件資源的不足。些外圍芯片，以補充片內硬件資源的不足。本章主要介紹存儲器的擴展。本章主要介紹存儲器的擴展。 1.1.概述概述 2.2.地址的鎖存地址的鎖存 3.3.地址的譯碼地址的譯碼 4.4.外部存儲器的擴展方法外部存儲器的擴展方法 第一節：概述第一節：概述一、一、 片外總線結構片外總線結構n三總線結構形式三總線結構形式：當系統要求擴展時，為：當系統要求擴展時，為了便于與各種芯片相連接，應把單片機外了便于與各種芯片相連接，應把單片機外部連線變為一般微

2、機所具有的三總線結構部連線變為一般微機所具有的三總線結構形式：形式：地址總線、數據總線、控制總線地址總線、數據總線、控制總線nMCS-51系列單片機的片外引腳可構成下圖系列單片機的片外引腳可構成下圖所示的三總線結構，所有的外圍芯片都將所示的三總線結構，所有的外圍芯片都將通過這三總線進行擴展。通過這三總線進行擴展。 三總線結構三總線結構1. 1. 數據總線數據總線DBDB：寬度寬度8位，由位，由P0口提供，三態雙口提供，三態雙向口，單片機與外部交換的所有信息，幾乎都通過向口，單片機與外部交換的所有信息，幾乎都通過P0口傳送。是應用系統中使用最頻繁的通道。口傳送。是應用系統中使用最頻繁的通道。片外

3、多個擴展芯片的數據線采用并聯方式連接在數據片外多個擴展芯片的數據線采用并聯方式連接在數據總線上，而在某一時刻只有端口地址與單片機發出總線上，而在某一時刻只有端口地址與單片機發出的地址相符的芯片才能與單片機進行通信。的地址相符的芯片才能與單片機進行通信。2. 2. 地址總線地址總線ABAB：寬度寬度16位，尋址范圍位，尋址范圍21664K字節。字節。n低低8位位A7A0由由P0口經地址鎖存器提供。口經地址鎖存器提供。n高高8位位Al5A8 由由P2口直接提供口直接提供。P0、P2口在系統擴展中用作地址線后，便不能再作口在系統擴展中用作地址線后，便不能再作為一般為一般I/0口使用。口使用。 3.

4、3. 控制總線控制總線CBCB：包括片外系統擴展用控制線和包括片外系統擴展用控制線和片外信號對單片機的控制線。片外信號對單片機的控制線。（1）WR、RD：片外數據存儲器的讀：片外數據存儲器的讀/寫控制。執寫控制。執行行MOVX時，這兩個信號分別自動生成。時，這兩個信號分別自動生成。（2）PSEN：片外程序存儲器的讀控制。執行：片外程序存儲器的讀控制。執行MOVC時，該信號自動生成。時，該信號自動生成。（3）ALE：鎖存鎖存P0口輸出的低口輸出的低8位地址的控制線。位地址的控制線。ALE在在P0口輸出地址期間，用下降沿控制鎖存器口輸出地址期間，用下降沿控制鎖存器對地址進行鎖存，該信號自動生成。對

5、地址進行鎖存，該信號自動生成。（4）EA：選擇片內、片外程序存儲器。選擇片內、片外程序存儲器。0：片外程序存儲器。片外程序存儲器。1：片內程序存儲器。片內程序存儲器。二、系統擴展能力二、系統擴展能力 n地址線地址線16位，容量位，容量64KB，地址，地址0000HFFFFH。片外片外RAMRAM和和ROMROM的訪問使用不同的指令及控制信號，的訪問使用不同的指令及控制信號，允許兩者地址重合。允許兩者地址重合。 n對于有片內對于有片內ROMROM的單片機，片內的單片機，片內ROMROM與片外與片外ROMROM的訪的訪問使用相同的操作指令，對兩者的選擇則靠硬件來問使用相同的操作指令，對兩者的選擇則

6、靠硬件來實現。實現。EA0時，選擇片外程序存儲器，即無論片內有無程時，選擇片外程序存儲器，即無論片內有無程序存儲器，片外程序存儲器的地址可從序存儲器，片外程序存儲器的地址可從0000H開始開始EAl時，選片內程序存儲器，若片內程序存儲器容時，選片內程序存儲器，若片內程序存儲器容量為量為4KB，則其地址為，則其地址為0000H0FFFH，片外程，片外程序存儲器地址只能從序存儲器地址只能從1000H開始。開始。 n為了應用系統的需要而擴展的為了應用系統的需要而擴展的I/O口、口、A/D、D/A轉換口及定時轉換口及定時/計數器均是與片外數據存計數器均是與片外數據存儲器統一編址的。即通常把儲器統一編址

7、的。即通常把64KB的外部數據的外部數據存儲器空間的一部分作為擴展存儲器空間的一部分作為擴展I/O端口的地端口的地址空間，每一個址空間，每一個I/O口相當于一個數據存儲口相當于一個數據存儲單元，單元，CPU如同訪問外部數據存儲器一樣訪如同訪問外部數據存儲器一樣訪問擴展問擴展I/O口，對其進行讀寫操作。口，對其進行讀寫操作。三、常用存儲器芯片三、常用存儲器芯片 1 1、程序存儲器：存放程序代碼和常數、程序存儲器：存放程序代碼和常數由于單片機的應用系統通常是專用的由于單片機的應用系統通常是專用的微機系統，一經開發研制完畢，其軟件也微機系統，一經開發研制完畢，其軟件也就定型，所以常用半導體只讀存儲器

8、就定型，所以常用半導體只讀存儲器（Read Only Memory,Read Only Memory,縮寫為縮寫為ROMROM）作為單）作為單片機的程序存儲器。片機的程序存儲器。根據寫入或擦除方式的不同，根據寫入或擦除方式的不同，ROMROM分為分為5 5種種 (1) 掩膜掩膜ROM 由芯片生產廠家用最后一道掩膜工藝來寫入信由芯片生產廠家用最后一道掩膜工藝來寫入信息的，用戶不能再作更改，如息的，用戶不能再作更改，如8051的內部的內部ROM。掩膜。掩膜ROM集成度高，成本低，適合集成度高，成本低，適合用于大批量生產。用于大批量生產。(2) 可編程可編程ROM（PROM）芯片出廠前未寫入信息，由

9、用戶自行寫入（即芯片出廠前未寫入信息，由用戶自行寫入（即編程），在專用的編程器上進行的。一旦編編程），在專用的編程器上進行的。一旦編程后，芯片內容不能再作更改。程后，芯片內容不能再作更改。(3) 紫外線擦除可編程紫外線擦除可編程ROM（EPROM） 由用戶利用編程器寫入信息，其內容可以更改。在紫由用戶利用編程器寫入信息，其內容可以更改。在紫外線照射下使電路復位，原存信息被擦除，然后重外線照射下使電路復位，原存信息被擦除，然后重新編程。能反復多次使用。新編程。能反復多次使用。EPROM廣泛應用于各種微機系統。通常采用的標準芯廣泛應用于各種微機系統。通常采用的標準芯片有：片有：2716（2KB）

10、、2732（4KB）2764（8KB） 、27128（16KB）27256（32KB）、）、27512（64KB）。）。(4) 電擦除可編程電擦除可編程ROM（EEPROM）采用電的方法擦除，能整片擦除，字節擦除，采用電的方法擦除，能整片擦除，字節擦除，擦除和寫入可以在單片機內進行，不需要附擦除和寫入可以在單片機內進行，不需要附加設備，每個字節允許擦寫次數目前約加設備，每個字節允許擦寫次數目前約1萬次。萬次。因而比因而比EPROM性能更優越，但價格較高。常性能更優越，但價格較高。常用的有兩種類型芯片：用的有兩種類型芯片：21V寫入：寫入：2816，2817（2K字節）。字節）。5V寫入：寫入：

11、2816A，2817A（2K字節），字節），2864（8K字節）字節）。 （5） 快擦寫型存儲器（快擦寫型存儲器（Flash Memory） 一種新型的可擦除、非易失性存儲器。它既一種新型的可擦除、非易失性存儲器。它既有有EPROM價格低、集成度高的優點，又有價格低、集成度高的優點，又有EEPROM電可擦除和寫入的特性。其擦除電可擦除和寫入的特性。其擦除和寫入的速度比和寫入的速度比EEPROM快得多，目前商快得多，目前商品化的品化的FlashMemory已做到允許擦寫次數已做到允許擦寫次數達達10萬次。這種存儲器具有很好的應用前萬次。這種存儲器具有很好的應用前景。景。 2 2、數據存儲器：、數

12、據存儲器：功能：存儲現場采集的原始數據、功能：存儲現場采集的原始數據、運算結果。運算結果。需要經常進行讀寫操作，所以通常采用半導體需要經常進行讀寫操作，所以通常采用半導體讀寫存儲器，即隨機存取存儲器（讀寫存儲器，即隨機存取存儲器（Random Access Memory ） RAM作為片外數據存作為片外數據存儲器。儲器。EEPROM也可用作片外數據存儲器。也可用作片外數據存儲器。MOSMOS型型RAMRAM按基本存儲電路的結按基本存儲電路的結構和特性分構和特性分4 4類類 （1） 靜態靜態RAM（SRAM） 基本存儲單元是基本存儲單元是MOS雙穩態觸發器。一個觸發雙穩態觸發器。一個觸發器可以存

13、儲一位二進制信息。器可以存儲一位二進制信息。SRAM能可靠能可靠地保持所存信息。常用的芯片有地保持所存信息。常用的芯片有6116（2K字節），字節），6264（8K字節）。字節）。SRAM芯片集成度較低，功耗較大，電路連接芯片集成度較低，功耗較大，電路連接簡單，斷電信息丟失（簡單，斷電信息丟失（易失性），易失性），常用于存常用于存儲容量較小的微機應用系統儲容量較小的微機應用系統（2） 動態動態RAM（DRAM） 利用利用MOS管的柵極和源極之間的電容來保存信息。管的柵極和源極之間的電容來保存信息。由于柵源極間電容的電荷量會逐漸泄漏，因此需由于柵源極間電容的電荷量會逐漸泄漏，因此需要由要由CPU

14、按一定時間（如按一定時間（如12ms）將所有存入）將所有存入的信息逐個讀出來，經放大后再寫回去，以保持的信息逐個讀出來，經放大后再寫回去，以保持原來的信息不變。這一操作稱為動態存儲器的刷原來的信息不變。這一操作稱為動態存儲器的刷新。為此需要刷新電路和相應的控制邏輯。常用新。為此需要刷新電路和相應的控制邏輯。常用的芯片有的芯片有2164（64K位）等。位）等。DRAM芯片集成度高，功耗小，價格低，但有關電芯片集成度高，功耗小，價格低，但有關電路較復雜，廣泛用于存儲容量大的微機系統。路較復雜，廣泛用于存儲容量大的微機系統。（3） 集成集成RAM（iRAM） 集成集成RAM（Integrated R

15、AM，縮寫為，縮寫為iRAM），這是一種帶刷新邏輯電路的），這是一種帶刷新邏輯電路的DRAM。由于它自帶刷新邏輯，因而簡化了。由于它自帶刷新邏輯，因而簡化了與微處理器的連接電路，使用它和使用與微處理器的連接電路，使用它和使用SRAM一樣方便，常用的芯片有一樣方便，常用的芯片有2186 （4） 非易失性非易失性RAM（NVRAM） 非易失性非易失性RAM（Non-VoIatile RAM，縮寫為，縮寫為NVRAM），其存儲體由），其存儲體由SRAM和和EEPROM兩部分兩部分組合而成。正常讀寫時，組合而成。正常讀寫時，SRAM工作。當要保存信工作。當要保存信息時（如電源掉電），控制電路將息時（如

16、電源掉電），控制電路將SRAM的內容復的內容復制到制到EEPROM中保存。存入中保存。存入EEPROM中的信息又中的信息又能夠恢復到能夠恢復到SRAM中。中。NVRAM既能隨機存取，又具有非易失性，適合用于既能隨機存取，又具有非易失性，適合用于需要掉電保護的場合。目前芯片容量還不能做得很需要掉電保護的場合。目前芯片容量還不能做得很大，另外由于大，另外由于EEPROM的擦寫次數有限制，因而影的擦寫次數有限制，因而影響響NVRAM的使用壽命。的使用壽命。 第二節：地址的鎖存第二節：地址的鎖存 一、鎖存的作用一、鎖存的作用由于由于P0P0口采用分時復用。口采用分時復用。CPUCPU先從先從P0P0口

17、輸口輸出低八位地址，從出低八位地址，從P2P2口輸出高八位地址，選口輸出高八位地址，選擇訪問的單元，再從擇訪問的單元，再從P0P0口讀寫數據。所以，口讀寫數據。所以，應通過地址鎖存器把應通過地址鎖存器把P0P0口首先輸出的低八位口首先輸出的低八位地址鎖存起來。地址鎖存起來。ALEALE是鎖存命令，是鎖存命令， P0P0輸出的輸出的地址地址8 8位在位在ALEALE的下降沿送入地址鎖存器。地的下降沿送入地址鎖存器。地址鎖存器的輸出作為地址總線低址鎖存器的輸出作為地址總線低8 8位位A7A7A0A0。 二、地址鎖存器二、地址鎖存器 n地址鎖存器通常使地址鎖存器通常使用用 T T L 芯 片芯 片7

18、4LS373。它是。它是帶有三態門的帶有三態門的8D鎖存器，雙列直插鎖存器，雙列直插20引腳引腳三態門使能端：三態門使能端：8D鎖存器控鎖存器控制端制端輸出端輸出端輸入端輸入端74LS373可看做兩部分：可看做兩部分：鎖存器、三態門鎖存器、三態門nG：8D鎖存器控制端。鎖存器控制端。1 1：直通：直通，即，即QiDi。1變變0時，數據被鎖存，輸時，數據被鎖存，輸出端出端Qi不再隨輸入端的不再隨輸入端的變化而變化，而一直保變化而變化，而一直保持鎖存前的值不變。持鎖存前的值不變。n OE：三態門使能端。三態門使能端。0：三態門輸出為標準三態門輸出為標準TTL電平；電平；1：三態門輸出高阻態；三態門

19、輸出高阻態；74LS373的邏輯功能表的邏輯功能表 74LS373與單片機的連接方法與單片機的連接方法 第三節：地址的譯碼第三節：地址的譯碼 n某存儲器芯片某存儲器芯片n地址線：地址線：1111根根A A1010A A0 0 ，空間，空間2K2K。n2K2K地址空間在微處理器的內存空間地址空間在微處理器的內存空間 64K 64K 中被分配中被分配在什么位置，這由高位地址線在什么位置，這由高位地址線A A1111A A1515產生的該芯產生的該芯片的片選信號片的片選信號CSCS來決定。來決定。n當存儲器芯片多于一片時，為了避免誤操作，必當存儲器芯片多于一片時，為了避免誤操作，必須利用片選信號來分

20、別確定各芯片的地址分配。須利用片選信號來分別確定各芯片的地址分配。產生片選信號的方式不同，存儲器的地址分配也產生片選信號的方式不同，存儲器的地址分配也就不同。片選方式有線選和譯碼二種就不同。片選方式有線選和譯碼二種 一、線選方式：一、線選方式：把一根高位地址把一根高位地址線直接連到存儲器芯片的片選端線直接連到存儲器芯片的片選端 三個芯片的地址分配三個芯片的地址分配 線選方式的特點：線選方式的特點：n優點：電路連接簡單優點：電路連接簡單n缺點：地址空間不連續（不能充分利用內存缺點：地址空間不連續（不能充分利用內存空間）空間） 、地址重疊、地址重疊 。n不能充分利用內存空間的原因是：用作片選不能充

21、分利用內存空間的原因是：用作片選信號的高位地址線的信號狀態得不到充分利信號的高位地址線的信號狀態得不到充分利用用 n“地址重疊地址重疊”：指一個存儲單元占有多個地：指一個存儲單元占有多個地址空間，即不同的地址會選通同一存儲單元址空間，即不同的地址會選通同一存儲單元 。二、譯碼方式：二、譯碼方式：n可克服線選方式的缺點，通過譯碼可克服線選方式的缺點，通過譯碼器將高位地址線譯碼后輸出來選通器將高位地址線譯碼后輸出來選通存儲器芯片存儲器芯片n常用的譯碼器有常用的譯碼器有74LS13874LS138（3/83/8譯碼器）譯碼器）74LS13974LS139（雙（雙2/42/4譯碼器）譯碼器）74LS1

22、5474LS154（4/164/16譯碼器）等譯碼器）等 74LS138引腳圖引腳圖 74LS138真值表真值表 用譯碼方式實現片選用譯碼方式實現片選 根據譯碼器的邏輯關系和存儲器的片內根據譯碼器的邏輯關系和存儲器的片內尋址范圍，三個芯片的地址空間如下尋址范圍，三個芯片的地址空間如下 譯碼方式的特點：譯碼方式的特點：n優點：地址空間連續，且唯一確定，不存在優點：地址空間連續，且唯一確定，不存在地址重疊現象；能夠充分利用內存空間；當地址重疊現象；能夠充分利用內存空間；當譯碼器輸出端留有空余時，便于繼續擴展存譯碼器輸出端留有空余時，便于繼續擴展存儲器或其它外圍器件。儲器或其它外圍器件。n缺點缺點:

23、 :電路連接復雜一些。電路連接復雜一些。 第四節：外部存儲器的擴展方法第四節：外部存儲器的擴展方法 外部存儲器的擴展方法，也就外部存儲器的擴展方法，也就是存儲器系統的設計是存儲器系統的設計 一、程序存儲器的擴展一、程序存儲器的擴展二、數據存儲器的擴展二、數據存儲器的擴展一、程序存儲器的擴展一、程序存儲器的擴展( (一）一）外部程序存儲器的操作時序外部程序存儲器的操作時序 （二）擴展外部程序存儲器電路的連接邏輯電路（二）擴展外部程序存儲器電路的連接邏輯電路 擴展一片擴展一片EPROM程序存儲器程序存儲器 線選方式線選方式擴展多片擴展多片EPROM EPROM 譯碼方式譯碼方式擴展多片擴展多片EPROM nEPROM #01 C000HDFFFHnEPROM #02 A000HBFFFH nEPROM #03 6000H7FFFH nEPROM #1 0000H1FFFHnEPROM #2 2000H3FFFHnEPROM #3 4000H5FFFH線選線選方式方式譯碼譯碼方式方式采用譯碼方式擴展2764，最多可以擴展8片2764 兩種方式的地址范圍兩種方式的地址范圍二、數