C51單片機擴展存儲器的設計課件

第8章89C51單片機擴展存儲器的設計8.1系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)

AT89C51系統(tǒng)并行擴展結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。

圖8-1^第8章89C51單片機擴展存儲器的設計圖8-1^1由圖8-1可以看出，系統(tǒng)擴展主要包括存儲器擴展和I/O接口部件擴展。外部存儲器擴展又包括程序存儲器擴展和數(shù)據(jù)存儲器擴展。AT89C51采用的是哈佛結(jié)構(gòu)。擴展后，系統(tǒng)形成了兩個并行的外部存儲器空間。89C51單片機采用并行總線結(jié)構(gòu)，大大增加了系統(tǒng)的靈活性，使擴展易于實現(xiàn)，各擴展部件只要符合總線規(guī)范，就能很方便地接入系統(tǒng)。由于系統(tǒng)擴展是通過總線把AT89C51與各擴展部件連接起來。因此，要進行系統(tǒng)擴展首先要構(gòu)造系統(tǒng)總線。^由圖8-1可以看出，系統(tǒng)擴展主要包括存儲器擴展和I/O接口部2系統(tǒng)總線按功能分為三組，如圖8-1所示。

（1）地址總線（AdressBus，AB）地址總線用于傳送單片機發(fā)出的地址信號，以便進行存儲單元和I/O接口芯片中的寄存器選擇。地址總線是單向傳輸?shù)摹＃?）數(shù)據(jù)總線(DataBus，DB)數(shù)據(jù)總線用于在單片機與存儲器之間或與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線是雙向的，可以進行兩個方向的傳送。（3）控制總線（ControlBus，CB）控制總線實際上就是單片機發(fā)出的各種控制信號線。下面討論如何構(gòu)造系統(tǒng)三總線

^系統(tǒng)總線按功能分為三組，如圖8-1所示。^31．以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線AT89C51由于受引腳數(shù)目的限制，數(shù)據(jù)線和低8位地址線復用。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，見圖8-2。

^1．以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線^4圖8-2^圖8-2^52.以P2口的口線作為高位地址線P2口的全部8位口線用作高位地址線，再加上P0口經(jīng)地址鎖存器提供的低8位地址，便形成了完整的16位地址總線（見圖8-2），使尋址范圍達到64KB。3．控制信號線除了地址線和數(shù)據(jù)線之外，還要有系統(tǒng)的控制總線。這些信號有的就是單片機引腳的第一功能信號，有的則是P3口第二功能信號。其中包括：（1）PSEN*信號作為外擴程序存儲器的讀選通控制信號。^2.以P2口的口線作為高位地址線^6（2）RD*和WR*信號作為外擴數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口的讀、寫選通控制信號。（3）ALE信號作為低8位地址的鎖存控制信號。（4）EA*信號作為內(nèi)、外程序存儲器的選擇控制信號?？煽闯?，盡管89C51單片機有4個并行的I/O口，共32條口線，但由于系統(tǒng)擴展的需要，真正作為數(shù)字I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口線了。8.2地址空間分配和外部地址鎖存器8.2.1存儲器地址空間分配

^（2）RD*和WR*信號作為外擴數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口的讀、7如何把外部各自的64KB空間分配給各個程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器芯片，并且使程序存儲器的各個芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間，為避免發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，一個存儲器單元對應一個地址，這就是存儲器的地址空間的分配問題。在外擴的多片存儲器芯片中，AT89C51要完成這種功能，必須進行兩種選擇：一是必須選中該存儲器芯片（或I/O接口芯片），這稱為“片選”，只有被“選中”的存儲器芯片才能被AT89C51讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。為了片選的需要，每個存儲器芯片都有片選信號引腳，二是在“片選”的基礎(chǔ)上再選擇該芯片的某一單元，稱為“單元選擇”。^如何把外部各自的64KB空間分配給各個程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器8常用的存儲器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）和地址譯碼法（簡稱譯碼法），下面分別介紹。1．線選法直接利用系統(tǒng)的高位地址線作為存儲器芯片（或I/O接口芯片）的“片選”控制信號。為此，只需要把用到的高位地址線與存儲器芯片的“片選”端直接連接即可。線選法的優(yōu)點是電路簡單，不需要另外增加地址譯碼器硬件電路，體積小，成本低。缺點是可尋址的芯片數(shù)目受到限制。另外，地址空間不連續(xù)，每個存儲單元的地址不唯一，不^常用的存儲器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）9能充分有效地利用存儲空間，這會給程序設計帶來一些不便，只適用于外擴芯片數(shù)目不多的單片機系統(tǒng)的存儲器擴展。2．譯碼法使用譯碼器對89C51的高位地址進行譯碼，將譯碼器的譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。是最常用的地址空間分配的方法，它能有效地利用存儲器空間，適用于多芯片的存儲器擴展。常用的譯碼器芯片有74LS138（3-8譯碼器）74LS139（雙2-4譯碼器）74LS154（4-16譯碼器）。若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼；若僅部分高位地址線參加譯碼，稱^能充分有效地利用存儲空間，這會給程序設計帶來一些不便，只適用10為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。兩種常用的譯碼器芯片。（1）74LS13874LS138是3-8譯碼器，有3個數(shù)據(jù)輸入端,經(jīng)譯碼產(chǎn)生8種狀態(tài)。其引腳如圖8-3所示，真值表如表8-1所示。由表8-1可見，當譯碼器的輸入為某一固定編碼時，其輸出僅有一個固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。而輸出為低電平的引腳就作為某一存儲器芯片的片選端的控制信號。^為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。^11圖8-3^圖8-3^12

表8-174LS138譯碼器真值表

輸入輸出

G1G2A*G2B*CBAY7*Y6*Y5*Y4*Y3*Y2*Y1*Y0*^ 表8-174LS138譯碼器真值表13

（2）74LS13974LS139是雙2-4譯碼器。兩個譯碼器完全獨立，分別有各自的數(shù)據(jù)輸入端、譯碼狀態(tài)輸出端以及數(shù)據(jù)輸入允許端。其引腳如圖8-4所示，真值表如表8-2所示（見P138）。圖8-4^（2）74LS139圖8-4^14^^15下面以74LS138為例，介紹如何進行地址分配。例要擴8片8KB的RAM6264，如何通過74LS138把64KB空間分配給各個芯片？64KB地址空間的分配如圖8-5所示。圖8-5^下面以74LS138為例，介紹如何進行地址分配。圖8-5^16采用全地址譯碼方式，單片機發(fā)地址碼時，每次只能選中一個存儲單元。同類存儲器間不會產(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？由于4KB空間需要12條地址線進行“單元選擇”，而譯碼器的輸入有3條地址線（P2.6～P2.4），P2.7沒有參加譯碼，P2.7發(fā)出的0或1決定了選擇64KB存儲器空間的前32KB還是后32KB，由于P2.7沒有參加譯碼，就不是全譯碼方式，這樣前后兩個32KB空間就重疊了。那么，這32KB空間利用74LS138譯碼器可劃分為8個4KB空間。如果把P2.7通過一個非門與74LS138譯碼器的G1端連接起來，如圖8-6所示，就不會發(fā)生兩個32KB空間重疊的問題了。^采用全地址譯碼方式，單片機發(fā)地址碼時，每次只能選中一個存儲單178.2.2外部地址鎖存器地址鎖存器芯片:74LS373、8282、74LS573等。1.鎖存器74LS373帶有三態(tài)門的8D鎖存器,其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-7和圖8-8。89C51與74LS373的連接如圖8-9所示。圖8-6^8.2.2外部地址鎖存器圖8-6^18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,

圖8-7圖8-8^引腳說明如下:圖8-7圖8-8^19OE*:

數(shù)據(jù)輸出允許信號圖8-9^OE*:數(shù)據(jù)輸出允許信號圖8-9^2074LS373功能如表8-3所示。表8-374LS373功能表OE*

G D Q

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 × 不變 1 × × 高阻態(tài) ^74LS373功能如表8-3所示。表8-374LS373212．鎖存器74LS573

輸入的D端和輸出的Q端依次排在芯片的兩側(cè)，為繪制印刷電路板時的布線提供了方便。圖8-10^2．鎖存器74LS573圖8-10^2274LS573的各引腳說明如下: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，該引腳與74LS373的G端功能相同。OE*：數(shù)據(jù)輸出允許信號，低電平有效。當該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。^74LS573的各引腳說明如下:^238.3程序存儲器EPROM的擴展

采用只讀存儲器，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）FlashROM又稱閃爍存儲器，簡稱閃存。大有取代E2PROM的趨勢。^8.3程序存儲器EPROM的擴展^24目前許多公司生產(chǎn)的以8051為內(nèi)核的單片機，在芯片內(nèi)部大多集成了數(shù)量不等的FlashROM。例如，美國ATMEL公司生產(chǎn)的與51系列單片機兼容的產(chǎn)品89C2051/89C51/89C52/89C55，片內(nèi)分別有2KB/4KB/8KB/20KB的FlashROM，來作為EPROM使用。對于這類單片機，在片內(nèi)的FlashROM滿足要求的情況下，擴展外部程序存儲器的工作就可省去。^目前許多公司生產(chǎn)的以8051為內(nèi)核的單片機，在芯片內(nèi)部大多集258.3.1常用EPROM芯片典型芯片是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)字表示其位存儲容量。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，大容量存儲器芯片的產(chǎn)量劇增，售價不斷下降，其性價比明顯增高，而且由于有些廠家已停止生產(chǎn)小容量的芯片，使市場上某些小容量芯片的價格反而比大容量芯片還貴。所以，在擴展程序存儲器設計時，應盡量采用大容量芯片。^8.3.1常用EPROM芯片^261.常用的EPROM芯片27系列EPROM芯片的引腳如圖8-11所示，參數(shù)見表8-4（P143，略）。圖8-11中的引腳功能如下：A0～A15：地址線引腳。數(shù)目決定存儲容量來定，用來進行單元選擇。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，加編程脈沖的輸入端^1.常用的EPROM芯片^27Vpp：編程時，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

表8-4所示為27系列EPROM芯片的技術(shù)參數(shù)，其中VCC是芯片供電電壓，Vpp是編程電壓，Im為最大靜態(tài)電流，Is為維持電流，TRM為最大讀出時間。^Vpp：編程時，編程電壓（+12V或+25V）輸入端^28圖8-11^圖8-11^29^^302.EPROM芯片的工作方式5種工作方式如表8-5所示。（1）讀出方式片選控制線為低,同時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）編程校驗方式

^2.EPROM芯片的工作方式^31（5）編程禁止方式輸出呈高阻狀態(tài)，不寫入程序。^（5）編程禁止方式^328.3.2程序存儲器的操作時序1.訪問程序存儲器的控制信號（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EPROM的OE*腳。P0口:分時低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線，P2口:高8位地址線。2.操作時序

^8.3.2程序存儲器的操作時序^33(1)應用系統(tǒng)中無片外RAM圖8-12(a)^(1)應用系統(tǒng)中無片外RAM圖8-12(a)^34(2)應用系統(tǒng)中接有片外RAM圖8-12(b)^(2)應用系統(tǒng)中接有片外RAM圖8-12(b)^35由圖8-12(b)可看出：（1）將ALE用作定時脈沖輸出時，執(zhí)行一次MOVX指令就會丟失一個脈沖。（2）只有在執(zhí)行MOVX指令時的第二個機器周期期間，地址總線才由數(shù)據(jù)存儲器使用。8.3.3AT89C51與EPROM的接口電路設計

1.硬件接口電路設計時，由于EPROM在正常使用中只能讀出，不能寫入，故EPROM芯片沒有寫入控制腳，只有讀出控制腳，記為OE*，它與89C51單片機的PSEN*相連，地址線、數(shù)據(jù)線分別與89C51的地址線、數(shù)據(jù)線相連，片選端的控制可采用線選法或譯碼法。圖8-13為外擴一片27128的接口電路圖。^由圖8-12(b)可看出：^36圖8-13^圖8-13^373.使用多片EPROM的擴展電路AT89C51擴展4片27128。圖8-14^3.使用多片EPROM的擴展電路圖8-14^38圖8-14中的片選控制信號由譯碼器產(chǎn)生。4片27128各自所占的地址空間，請讀者自己分析。

8.4靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的擴展在單片機應用系統(tǒng)中，外擴的數(shù)據(jù)存儲器都采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），所以只討論SRAM與89C51的接口。所擴展的數(shù)據(jù)存儲器空間地址由P2口提供高8位地址，P0口分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器RAM的讀和寫由89C51的RD*（P3.7）和WR*（P3.6）信號控制，而片外程序存儲器EPROM的輸出允許端（OE*）由89C51的程序存儲器讀選通信號PSEN*控制。盡管與EPROM的地址空間范圍都是相同的，但由于控制信號不同，故不會發(fā)生總線沖突。^圖8-14中的片選控制信號由譯碼器產(chǎn)生。4片27128各自所398.4.1常用的靜態(tài)RAM（SRAM）芯片典型型號有:6116、6264、62128、62256。+5V電源供電，雙列直插封裝，6116為24引腳封裝，6264、62128、62256為28引腳封裝，引腳如圖8-15。各引腳功能:A0～A14：地址輸入線。D0～D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。CE*：片選信號輸入。對于6264芯片，當26腳(CS)為高電平時,且CE*為低電平時才選中該片。OE*：讀選通信號輸入線。WE*：寫允許信號輸入線，低電平有效。^8.4.1常用的靜態(tài)RAM（SRAM）芯片^40圖8-15^圖8-15^41Vcc：工作電源+5VGND：地工作方式有讀出、寫入、維持三種，這些工作方式的操作控制如表8-6(P148)。

^Vcc：工作電源+5V^428.4.2外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序1.讀片外RAM操作時序

圖8-16^8.4.2外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序圖8-16^432.寫片外RAM操作時序

寫是CPU主動把數(shù)據(jù)送上P0口總線。故在時序上，CPU先向P0口總線上送完8位地址后，在S3狀態(tài)就將數(shù)據(jù)送到P0口總線。

圖8-17^2.寫片外RAM操作時序圖8-17^448.4.3AT89C51與RAM的接口電路設計

圖8-18為線選法擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的電路。

圖8-18^8.4.3AT89C51與RAM的接口電路設計圖8-45地址線為A0～A12，故8031剩余地址線為三根。用線選法可擴展3片6264。3片6264對應的存儲器空間如表8-7。表8-7^地址線為A0～A12，故8031剩余地址線為三根。用線選法可46譯碼選通法擴展,如圖8-19所示。圖8-19^譯碼選通法擴展,如圖8-19所示。圖8-19^47各62128芯片的地址分配見表8-8。

例8-1編寫程序?qū)⑵鈹?shù)據(jù)存儲器中5000H～50FFH單元全部清零^各62128芯片的地址分配見表8-8。^48方法1：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，同時使用字節(jié)計數(shù)器。

MOVDPTR，#5000H ；設置數(shù)據(jù)塊指針的初值 MOVR7，#00H ；設置塊長度計數(shù)器初值 CLRALOOP：MOVX@DPTR，A ；把某一單元清零 INCDPTR ；地址指針加1

DJNZR7，LOOP ；數(shù)據(jù)塊長度減1，若不為 ；0則繼續(xù)清零HERE：SJMPHERE ；執(zhí)行完畢，原地踏步^方法1：^49方法2：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，但不使用字節(jié)計數(shù)器，而是比較特征地址。 MOVDPTR，#5000H CLRALOOP： MOVX@DPTR，A INCDPTR MOVR7，DPL

CJNER7，#0，LOOP；與末地址+1比較HERE： SJMPHERE^方法2：^508.5EPROM和RAM的綜合擴展8.5.1綜合擴展的硬件接口電路例8-2

采用線選法擴展2片8KB的RAM和2片8KB的EPROM。RAM選6264，EPROM選2764。擴展接口電路見圖8-20。

圖8-20^8.5EPROM和RAM的綜合擴展圖8-20^51（1）控制信號及片選信號IC2和IC4占用地址空間為2000H～3FFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范圍4000H～5FFFH（P2.6=1、P2.5=0、P2.7=0）。線選法地址不連續(xù)，地址空間利用不充分。（2）各芯片地址空間分配IC2和IC4占用的地址空間為A000H～BFFFH共8KB。同理IC1、IC3的地址范圍為C000H～DFFFH。4片存儲器各自所占的地址空間如表8-9所示。^（1）控制信號及片選信號IC2和IC4占用的地址空間為A0052例8-3采用譯碼器法擴展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM選用2764，RAM選用6264。共擴展4片芯片。擴展接口電路見圖8-21。

圖8-21^例8-3采用譯碼器法擴展2片8KBEPROM，2片8KB53各存儲器地址范圍如下：表8-9可見譯碼法進行地址分配，各芯片地址空間是連續(xù)的。^^548.5.2外擴存儲器電路的工作原理及軟件設計

1.單片機片外程序區(qū)讀指令過程單片機上電復位后，PC

=

0000H，CPU就從0000H地址開始取指令，執(zhí)行程序。在取指令期間，PC地址低8位送往P0口，經(jīng)鎖存器鎖存輸出作為A0～A7地址線。PC高8位地址送往P2口，直接由P2.0～P2.4鎖存到A8～A12地址線上，P2.5～P2.7輸入給74LS139進行譯碼輸出片選。這樣，根據(jù)P2口、P0口狀態(tài)則選中了第一個程序存儲器芯片IC1（2764）的第一個單元地址0000H。然后當變?yōu)榈碗娖綍r，把0000H中的指令代碼經(jīng)P0口讀入內(nèi)部RAM中進行譯碼，從而決定進行何種操作。。

^8.5.2外擴存儲器電路的工作原理及軟件設計^55取出一個指令字節(jié)后PC自動加1，然后取第二個字節(jié)，依次類推當PC

=

1FFFH時，從IC1最后一個單元取指令，然后PC

=

2000H，CPU向P2口、P0口送出2000H地址時，則選中第二個程序存儲器IC2，IC2的地址范圍為2000H～3FFFH，讀指令過程同IC1，不再贅述。2.單片機片外數(shù)據(jù)區(qū)讀/寫數(shù)據(jù)過程

例如，把片外6000H單元的數(shù)送到片內(nèi)RAM50H單元，程序如下：

MOVDPTR，#6000H

MOVXA，@DPTR MOV50H，A

^取出一個指令字節(jié)后PC自動加1，然后取第二個字節(jié)，依次類推當56例如，把片內(nèi)50H單元的數(shù)據(jù)送到片外4000H單元中，程序如下：

MOVA,50H MOVDPTR,#4000H

MOVX

@DPTR,AAT89C51單片機讀寫片外數(shù)據(jù)存儲器中的內(nèi)容，除用MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A外，還可使用MOVXA,@Ri和MOVX@Ri,A。這時通過P0口輸出Ri中的內(nèi)容（低8位地址），而把P2口原有的內(nèi)容作為高8位地址輸出。例8-4

將程序存儲器中以TAB為首址的32個單元的內(nèi)容依次傳送到外部RAM以7000H為首地址的區(qū)域去。

^例如，把片內(nèi)50H單元的數(shù)據(jù)送到片外4000H單元中，程序如57DPTR指向標號TAB的首地址。R0既指示外部RAM的地址，又表示數(shù)據(jù)標號TAB的位移量。本程序的循環(huán)次數(shù)為32，R0的值：0～31，R0的值達到32就結(jié)束循環(huán)。程序如下：

MOV P2,#70H MOV DPTR,#TAB MOV R0,#0 AGIN: MOV A,R0 MOVC A,@A+DPTR MOVX @R0,A INC R0

CJNE R0,#32,AGIN HERE: SJMP HERE TAB: DB……^DPTR指向標號TAB的首地址。R0既指示外部RAM的地址，588.6ATMEL89C51/89C55單片機的片內(nèi)閃爍存儲器

AT89C51/89C52/89C55是低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB/8KB/20KB閃爍可編程/擦除只讀存儲器，芯片內(nèi)的閃存允許在線編程或采用通用的編程器對其重復編程。8.6.189C51的性能及片內(nèi)閃爍存儲器89C51的主要性能（1）片內(nèi)有4KB可在線重復編程的閃爍存儲器（FlashMemory）（2）存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次。（3）存儲器數(shù)據(jù)保存時間為10年。（4）寬工作電壓范圍：Vcc可為+2.7～6V。

^8.6ATMEL89C51/89C55單片機的片內(nèi)閃爍存59（5）全靜態(tài)工作：可從0Hz～16MHz。（6）程序存儲器具有3級加密保護。（7）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲器內(nèi)容。下面介紹AT89C51單片機片內(nèi)閃爍存儲器的主要性能及其編程方法。AT89C51單片機的片內(nèi)程序存儲器除由閃爍存儲器取代了87C51的EPROM外，其余部分完全相同。AT89C51單片機的引腳與87C51的引腳也是完全兼容的。^（5）全靜態(tài)工作：可從0Hz～16MHz。^60AT89C51的I/O口P0、P1、P2和P3除具有與8031相同的一些性能和用途外，在對Flash編程時，P0口還可接收代碼字節(jié)，但在程序校驗時需要外加上拉負載電阻。在Flash編程和程序校驗期間，P1口接收低位地址字節(jié)，P2口接收高位地址位和一些控制信號，P3口也接收Flash編程和校驗用的控制信號。此時，ALE/PROG*引腳是編程脈沖輸入（PROG*）端。^AT89C51的I/O口P0、P1、P2和P3除具有與80361該芯片內(nèi)有三個加密位，其狀態(tài)可以是編程（P）或不編程（U），各狀態(tài)提供的功能見表8-11。如果加密位LB1被編程，則EA*腳的電平在復位時被采樣并鎖存。若器件在加電時不進行復位，那么該鎖存器初始化為一隨機值，并在復位有效前始終保持該值。為使器件工作正常，EA*的鎖存值必須與引腳的當前邏輯電平一致。AT89C51的三個加密位可以不被編程（U）或被編程（P），以獲得表8-11所示的特性。^該芯片內(nèi)有三個加密位，其狀態(tài)可以是編程（P）或不編程（U），62表8-11對89C51片內(nèi)的Flash存儲器編程，設計者只需在市場上購買相應的編程器。一種是購買單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)時就帶有編程器，另一種是單獨購買編程器。開發(fā)者可按照編程器的說明進行操作，如想對寫入的內(nèi)容加密，只需按照編程器的菜單，選擇加密功能選項即可。

^表8-11^63編程器^編程器^64第8章89C51單片機擴展存儲器的設計8.1系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)

AT89C51系統(tǒng)并行擴展結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。

圖8-1^第8章89C51單片機擴展存儲器的設計圖8-1^65由圖8-1可以看出，系統(tǒng)擴展主要包括存儲器擴展和I/O接口部件擴展。外部存儲器擴展又包括程序存儲器擴展和數(shù)據(jù)存儲器擴展。AT89C51采用的是哈佛結(jié)構(gòu)。擴展后，系統(tǒng)形成了兩個并行的外部存儲器空間。89C51單片機采用并行總線結(jié)構(gòu)，大大增加了系統(tǒng)的靈活性，使擴展易于實現(xiàn)，各擴展部件只要符合總線規(guī)范，就能很方便地接入系統(tǒng)。由于系統(tǒng)擴展是通過總線把AT89C51與各擴展部件連接起來。因此，要進行系統(tǒng)擴展首先要構(gòu)造系統(tǒng)總線。^由圖8-1可以看出，系統(tǒng)擴展主要包括存儲器擴展和I/O接口部66系統(tǒng)總線按功能分為三組，如圖8-1所示。

（1）地址總線（AdressBus，AB）地址總線用于傳送單片機發(fā)出的地址信號，以便進行存儲單元和I/O接口芯片中的寄存器選擇。地址總線是單向傳輸?shù)摹＃?）數(shù)據(jù)總線(DataBus，DB)數(shù)據(jù)總線用于在單片機與存儲器之間或與I/O端口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線是雙向的，可以進行兩個方向的傳送。（3）控制總線（ControlBus，CB）控制總線實際上就是單片機發(fā)出的各種控制信號線。下面討論如何構(gòu)造系統(tǒng)三總線

^系統(tǒng)總線按功能分為三組，如圖8-1所示。^671．以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線AT89C51由于受引腳數(shù)目的限制，數(shù)據(jù)線和低8位地址線復用。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，見圖8-2。

^1．以P0口作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線^68圖8-2^圖8-2^692.以P2口的口線作為高位地址線P2口的全部8位口線用作高位地址線，再加上P0口經(jīng)地址鎖存器提供的低8位地址，便形成了完整的16位地址總線（見圖8-2），使尋址范圍達到64KB。3．控制信號線除了地址線和數(shù)據(jù)線之外，還要有系統(tǒng)的控制總線。這些信號有的就是單片機引腳的第一功能信號，有的則是P3口第二功能信號。其中包括：（1）PSEN*信號作為外擴程序存儲器的讀選通控制信號。^2.以P2口的口線作為高位地址線^70（2）RD*和WR*信號作為外擴數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口的讀、寫選通控制信號。（3）ALE信號作為低8位地址的鎖存控制信號。（4）EA*信號作為內(nèi)、外程序存儲器的選擇控制信號。可看出，盡管89C51單片機有4個并行的I/O口，共32條口線，但由于系統(tǒng)擴展的需要，真正作為數(shù)字I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口線了。8.2地址空間分配和外部地址鎖存器8.2.1存儲器地址空間分配

^（2）RD*和WR*信號作為外擴數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口的讀、71如何把外部各自的64KB空間分配給各個程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器芯片，并且使程序存儲器的各個芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間，為避免發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，一個存儲器單元對應一個地址，這就是存儲器的地址空間的分配問題。在外擴的多片存儲器芯片中，AT89C51要完成這種功能，必須進行兩種選擇：一是必須選中該存儲器芯片（或I/O接口芯片），這稱為“片選”，只有被“選中”的存儲器芯片才能被AT89C51讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。為了片選的需要，每個存儲器芯片都有片選信號引腳，二是在“片選”的基礎(chǔ)上再選擇該芯片的某一單元，稱為“單元選擇”。^如何把外部各自的64KB空間分配給各個程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器72常用的存儲器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）和地址譯碼法（簡稱譯碼法），下面分別介紹。1．線選法直接利用系統(tǒng)的高位地址線作為存儲器芯片（或I/O接口芯片）的“片選”控制信號。為此，只需要把用到的高位地址線與存儲器芯片的“片選”端直接連接即可。線選法的優(yōu)點是電路簡單，不需要另外增加地址譯碼器硬件電路，體積小，成本低。缺點是可尋址的芯片數(shù)目受到限制。另外，地址空間不連續(xù)，每個存儲單元的地址不唯一，不^常用的存儲器地址空間分配方法有兩種：線性選擇法（簡稱線選法）73能充分有效地利用存儲空間，這會給程序設計帶來一些不便，只適用于外擴芯片數(shù)目不多的單片機系統(tǒng)的存儲器擴展。2．譯碼法使用譯碼器對89C51的高位地址進行譯碼，將譯碼器的譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。是最常用的地址空間分配的方法，它能有效地利用存儲器空間，適用于多芯片的存儲器擴展。常用的譯碼器芯片有74LS138（3-8譯碼器）74LS139（雙2-4譯碼器）74LS154（4-16譯碼器）。若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼；若僅部分高位地址線參加譯碼，稱^能充分有效地利用存儲空間，這會給程序設計帶來一些不便，只適用74為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。兩種常用的譯碼器芯片。（1）74LS13874LS138是3-8譯碼器，有3個數(shù)據(jù)輸入端,經(jīng)譯碼產(chǎn)生8種狀態(tài)。其引腳如圖8-3所示，真值表如表8-1所示。由表8-1可見，當譯碼器的輸入為某一固定編碼時，其輸出僅有一個固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。而輸出為低電平的引腳就作為某一存儲器芯片的片選端的控制信號。^為部分譯碼。部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。^75圖8-3^圖8-3^76

表8-174LS138譯碼器真值表

輸入輸出

G1G2A*G2B*CBAY7*Y6*Y5*Y4*Y3*Y2*Y1*Y0*^ 表8-174LS138譯碼器真值表77

（2）74LS13974LS139是雙2-4譯碼器。兩個譯碼器完全獨立，分別有各自的數(shù)據(jù)輸入端、譯碼狀態(tài)輸出端以及數(shù)據(jù)輸入允許端。其引腳如圖8-4所示，真值表如表8-2所示（見P138）。圖8-4^（2）74LS139圖8-4^78^^79下面以74LS138為例，介紹如何進行地址分配。例要擴8片8KB的RAM6264，如何通過74LS138把64KB空間分配給各個芯片？64KB地址空間的分配如圖8-5所示。圖8-5^下面以74LS138為例，介紹如何進行地址分配。圖8-5^80采用全地址譯碼方式，單片機發(fā)地址碼時，每次只能選中一個存儲單元。同類存儲器間不會產(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？由于4KB空間需要12條地址線進行“單元選擇”，而譯碼器的輸入有3條地址線（P2.6～P2.4），P2.7沒有參加譯碼，P2.7發(fā)出的0或1決定了選擇64KB存儲器空間的前32KB還是后32KB，由于P2.7沒有參加譯碼，就不是全譯碼方式，這樣前后兩個32KB空間就重疊了。那么，這32KB空間利用74LS138譯碼器可劃分為8個4KB空間。如果把P2.7通過一個非門與74LS138譯碼器的G1端連接起來，如圖8-6所示，就不會發(fā)生兩個32KB空間重疊的問題了。^采用全地址譯碼方式，單片機發(fā)地址碼時，每次只能選中一個存儲單818.2.2外部地址鎖存器地址鎖存器芯片:74LS373、8282、74LS573等。1.鎖存器74LS373帶有三態(tài)門的8D鎖存器,其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-7和圖8-8。89C51與74LS373的連接如圖8-9所示。圖8-6^8.2.2外部地址鎖存器圖8-6^82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,

圖8-7圖8-8^引腳說明如下:圖8-7圖8-8^83OE*:

數(shù)據(jù)輸出允許信號圖8-9^OE*:數(shù)據(jù)輸出允許信號圖8-9^8474LS373功能如表8-3所示。表8-374LS373功能表OE*

G D Q

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 × 不變 1 × × 高阻態(tài) ^74LS373功能如表8-3所示。表8-374LS373852．鎖存器74LS573

輸入的D端和輸出的Q端依次排在芯片的兩側(cè)，為繪制印刷電路板時的布線提供了方便。圖8-10^2．鎖存器74LS573圖8-10^8674LS573的各引腳說明如下: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，該引腳與74LS373的G端功能相同。OE*：數(shù)據(jù)輸出允許信號，低電平有效。當該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。^74LS573的各引腳說明如下:^878.3程序存儲器EPROM的擴展

采用只讀存儲器，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）FlashROM又稱閃爍存儲器，簡稱閃存。大有取代E2PROM的趨勢。^8.3程序存儲器EPROM的擴展^88目前許多公司生產(chǎn)的以8051為內(nèi)核的單片機，在芯片內(nèi)部大多集成了數(shù)量不等的FlashROM。例如，美國ATMEL公司生產(chǎn)的與51系列單片機兼容的產(chǎn)品89C2051/89C51/89C52/89C55，片內(nèi)分別有2KB/4KB/8KB/20KB的FlashROM，來作為EPROM使用。對于這類單片機，在片內(nèi)的FlashROM滿足要求的情況下，擴展外部程序存儲器的工作就可省去。^目前許多公司生產(chǎn)的以8051為內(nèi)核的單片機，在芯片內(nèi)部大多集898.3.1常用EPROM芯片典型芯片是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)字表示其位存儲容量。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，大容量存儲器芯片的產(chǎn)量劇增，售價不斷下降，其性價比明顯增高，而且由于有些廠家已停止生產(chǎn)小容量的芯片，使市場上某些小容量芯片的價格反而比大容量芯片還貴。所以，在擴展程序存儲器設計時，應盡量采用大容量芯片。^8.3.1常用EPROM芯片^901.常用的EPROM芯片27系列EPROM芯片的引腳如圖8-11所示，參數(shù)見表8-4（P143，略）。圖8-11中的引腳功能如下：A0～A15：地址線引腳。數(shù)目決定存儲容量來定，用來進行單元選擇。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，加編程脈沖的輸入端^1.常用的EPROM芯片^91Vpp：編程時，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

表8-4所示為27系列EPROM芯片的技術(shù)參數(shù)，其中VCC是芯片供電電壓，Vpp是編程電壓，Im為最大靜態(tài)電流，Is為維持電流，TRM為最大讀出時間。^Vpp：編程時，編程電壓（+12V或+25V）輸入端^92圖8-11^圖8-11^93^^942.EPROM芯片的工作方式5種工作方式如表8-5所示。（1）讀出方式片選控制線為低,同時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）編程校驗方式

^2.EPROM芯片的工作方式^95（5）編程禁止方式輸出呈高阻狀態(tài)，不寫入程序。^（5）編程禁止方式^968.3.2程序存儲器的操作時序1.訪問程序存儲器的控制信號（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EPROM的OE*腳。P0口:分時低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線，P2口:高8位地址線。2.操作時序

^8.3.2程序存儲器的操作時序^97(1)應用系統(tǒng)中無片外RAM圖8-12(a)^(1)應用系統(tǒng)中無片外RAM圖8-12(a)^98(2)應用系統(tǒng)中接有片外RAM圖8-12(b)^(2)應用系統(tǒng)中接有片外RAM圖8-12(b)^99由圖8-12(b)可看出：（1）將ALE用作定時脈沖輸出時，執(zhí)行一次MOVX指令就會丟失一個脈沖。（2）只有在執(zhí)行MOVX指令時的第二個機器周期期間，地址總線才由數(shù)據(jù)存儲器使用。8.3.3AT89C51與EPROM的接口電路設計

1.硬件接口電路設計時，由于EPROM在正常使用中只能讀出，不能寫入，故EPROM芯片沒有寫入控制腳，只有讀出控制腳，記為OE*，它與89C51單片機的PSEN*相連，地址線、數(shù)據(jù)線分別與89C51的地址線、數(shù)據(jù)線相連，片選端的控制可采用線選法或譯碼法。圖8-13為外擴一片27128的接口電路圖。^由圖8-12(b)可看出：^100圖8-13^圖8-13^1013.使用多片EPROM的擴展電路AT89C51擴展4片27128。圖8-14^3.使用多片EPROM的擴展電路圖8-14^102圖8-14中的片選控制信號由譯碼器產(chǎn)生。4片27128各自所占的地址空間，請讀者自己分析。

8.4靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的擴展在單片機應用系統(tǒng)中，外擴的數(shù)據(jù)存儲器都采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），所以只討論SRAM與89C51的接口。所擴展的數(shù)據(jù)存儲器空間地址由P2口提供高8位地址，P0口分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器RAM的讀和寫由89C51的RD*（P3.7）和WR*（P3.6）信號控制，而片外程序存儲器EPROM的輸出允許端（OE*）由89C51的程序存儲器讀選通信號PSEN*控制。盡管與EPROM的地址空間范圍都是相同的，但由于控制信號不同，故不會發(fā)生總線沖突。^圖8-14中的片選控制信號由譯碼器產(chǎn)生。4片27128各自所1038.4.1常用的靜態(tài)RAM（SRAM）芯片典型型號有:6116、6264、62128、62256。+5V電源供電，雙列直插封裝，6116為24引腳封裝，6264、62128、62256為28引腳封裝，引腳如圖8-15。各引腳功能:A0～A14：地址輸入線。D0～D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。CE*：片選信號輸入。對于6264芯片，當26腳(CS)為高電平時,且CE*為低電平時才選中該片。OE*：讀選通信號輸入線。WE*：寫允許信號輸入線，低電平有效。^8.4.1常用的靜態(tài)RAM（SRAM）芯片^104圖8-15^圖8-15^105Vcc：工作電源+5VGND：地工作方式有讀出、寫入、維持三種，這些工作方式的操作控制如表8-6(P148)。

^Vcc：工作電源+5V^1068.4.2外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序1.讀片外RAM操作時序

圖8-16^8.4.2外擴數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作時序圖8-16^1072.寫片外RAM操作時序

寫是CPU主動把數(shù)據(jù)送上P0口總線。故在時序上，CPU先向P0口總線上送完8位地址后，在S3狀態(tài)就將數(shù)據(jù)送到P0口總線。

圖8-17^2.寫片外RAM操作時序圖8-17^1088.4.3AT89C51與RAM的接口電路設計

圖8-18為線選法擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的電路。

圖8-18^8.4.3AT89C51與RAM的接口電路設計圖8-109地址線為A0～A12，故8031剩余地址線為三根。用線選法可擴展3片6264。3片6264對應的存儲器空間如表8-7。表8-7^地址線為A0～A12，故8031剩余地址線為三根。用線選法可110譯碼選通法擴展,如圖8-19所示。圖8-19^譯碼選通法擴展,如圖8-19所示。圖8-19^111各62128芯片的地址分配見表8-8。

例8-1編寫程序?qū)⑵鈹?shù)據(jù)存儲器中5000H～50FFH單元全部清零^各62128芯片的地址分配見表8-8。^112方法1：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，同時使用字節(jié)計數(shù)器。

MOVDPTR，#5000H ；設置數(shù)據(jù)塊指針的初值 MOVR7，#00H ；設置塊長度計數(shù)器初值 CLRALOOP：MOVX@DPTR，A ；把某一單元清零 INCDPTR ；地址指針加1

DJNZR7，LOOP ；數(shù)據(jù)塊長度減1，若不為 ；0則繼續(xù)清零HERE：SJMPHERE ；執(zhí)行完畢，原地踏步^方法1：^113方法2：用DPTR作為數(shù)據(jù)區(qū)地址指針，但不使用字節(jié)計數(shù)器，而是比較特征地址。 MOVDPTR，#5000H CLRALOOP： MOVX@DPTR，A INCDPTR MOVR7，DPL

CJNER7，#0，LOOP；與末地址+1比較HERE： SJMPHERE^方法2：^1148.5EPROM和RAM的綜合擴展8.5.1綜合擴展的硬件接口電路例8-2

采用線選法擴展2片8KB的RAM和2片8KB的EPROM。RAM選6264，EPROM選2764。擴展接口電路見圖8-20。

圖8-20^8.5EPROM和RAM的綜合擴展圖8-20^115（1）控制信號及片選信號IC2和IC4占用地址空間為2000H～3FFFH共8KB。同理IC1、IC3地址范圍4000H～5FFFH（P2.6=1、P2.5=0、P2.7=0）。線選法地址不連續(xù)，地址空間利用不充分。（2）各芯片地址空間分配IC2和IC4占用的地址空間為A000H～BFFFH共8KB。同理IC1、IC3的地址范圍為C000H～DFFFH。4片存儲器各自所占的地址空間如表8-9所示。^（1）控制信號及片選信號IC2和IC4占用的地址空間為A00116例8-3采用譯碼器法擴展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM選用2764，RAM選用6264。共擴展4片芯片。擴展接口電路見圖8-21。

圖8-21^例8-3采用譯碼器法擴展2片8KBEPROM，2片8KB117各存儲器地址范圍如下：表8-9可見譯碼法進行地址分配，各芯片地址空間是連續(xù)的。^^1188.5.2外擴存儲器電路的工作原理及軟件設計

1.單片機片外程序區(qū)讀指令過程單片機上電復位后，PC

=

0000H，CPU就從0000H地址開始取指令，執(zhí)行程序。在取指令期間，PC地址低8位送往P0口，經(jīng)鎖存器鎖存輸出作為A0～A7地址線。PC高8位地址送往P2口，直接由P2.0～P2.4鎖存到A8～A12地址線上，P2.5～P2.7輸入給74LS139進行譯碼輸出片選。這樣，根據(jù)P2口、P0口狀態(tài)則選中了第一個程序存儲器芯片IC1（2764）的第一個單元地址00