微機(jī)原理第五章存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

第五章存儲(chǔ)器的擴(kuò)展學(xué)習(xí)內(nèi)容 對(duì)于一些較大的應(yīng)用系統(tǒng)，需要擴(kuò)展一些外圍芯片，以補(bǔ)充片內(nèi)硬件資源的不足。本章主要介紹存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。概述地址的鎖存地址的譯碼外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法

第一節(jié)：概述一、片外總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)形式：當(dāng)系統(tǒng)要求擴(kuò)展時(shí)，為了便于與各種芯片相連接，應(yīng)把單片機(jī)外部連線變?yōu)橐话阄C(jī)所具有的三總線結(jié)構(gòu)形式：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線MCS-51系列單片機(jī)的片外引腳可構(gòu)成下圖所示的三總線結(jié)構(gòu)，所有的外圍芯片都將通過(guò)這三總線進(jìn)行擴(kuò)展。

三總線結(jié)構(gòu)1.數(shù)據(jù)總線DB：寬度8位，由P0口提供，三態(tài)雙向口，單片機(jī)與外部交換的所有信息，幾乎都通過(guò)P0口傳送。是應(yīng)用系統(tǒng)中使用最頻繁的通道。片外多個(gè)擴(kuò)展芯片的數(shù)據(jù)線采用并聯(lián)方式連接在數(shù)據(jù)總線上，而在某一時(shí)刻只有端口地址與單片機(jī)發(fā)出的地址相符的芯片才能與單片機(jī)進(jìn)行通信。2.地址總線AB：寬度16位，尋址范圍216＝64K字節(jié)。低8位A7～A0由P0口經(jīng)地址鎖存器提供。高8位Al5～A8由P2口直接提供。P0、P2口在系統(tǒng)擴(kuò)展中用作地址線后，便不能再作為一般I/0口使用。

3.控制總線CB：包括片外系統(tǒng)擴(kuò)展用控制線和片外信號(hào)對(duì)單片機(jī)的控制線。（1）WR、RD：片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫控制。執(zhí)行MOVX時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)分別自動(dòng)生成。（2）PSEN：片外程序存儲(chǔ)器的讀控制。執(zhí)行MOVC時(shí)，該信號(hào)自動(dòng)生成。（3）ALE：鎖存P0口輸出的低8位地址的控制線。ALE在P0口輸出地址期間，用下降沿控制鎖存器對(duì)地址進(jìn)行鎖存，該信號(hào)自動(dòng)生成。（4）EA：選擇片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器。 0：片外程序存儲(chǔ)器。 1：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。二、系統(tǒng)擴(kuò)展能力

地址線16位，容量64KB，地址0000H～FFFFH。片外RAM和ROM的訪問(wèn)使用不同的指令及控制信號(hào)，允許兩者地址重合。

對(duì)于有片內(nèi)ROM的單片機(jī)，片內(nèi)ROM與片外ROM的訪問(wèn)使用相同的操作指令，對(duì)兩者的選擇則靠硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。EA＝0時(shí)，選擇片外程序存儲(chǔ)器，即無(wú)論片內(nèi)有無(wú)程序存儲(chǔ)器，片外程序存儲(chǔ)器的地址可從0000H開始EA＝l時(shí)，選片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，若片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量為4KB，則其地址為0000H～0FFFH，片外程序存儲(chǔ)器地址只能從1000H開始。為了應(yīng)用系統(tǒng)的需要而擴(kuò)展的I/O口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換口及定時(shí)/計(jì)數(shù)器均是與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的。即通常把64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的一部分作為擴(kuò)展I/O端口的地址空間，每一個(gè)I/O口相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，CPU如同訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一樣訪問(wèn)擴(kuò)展I/O口，對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。三、常用存儲(chǔ)器芯片

1、程序存儲(chǔ)器：存放程序代碼和常數(shù) 由于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)通常是專用的微機(jī)系統(tǒng)，一經(jīng)開發(fā)研制完畢，其軟件也就定型，所以常用半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器（ReadOnlyMemory,縮寫為ROM）作為單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器。根據(jù)寫入或擦除方式的不同，ROM分為5種(1)

掩膜ROM由芯片生產(chǎn)廠家用最后一道掩膜工藝來(lái)寫入信息的，用戶不能再作更改，如8051的內(nèi)部ROM。掩膜ROM集成度高，成本低，適合用于大批量生產(chǎn)。(2)

可編程ROM（PROM）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(jìn)行的。一旦編程后，芯片內(nèi)容不能再作更改。(3)

紫外線擦除可編程ROM（EPROM）

由用戶利用編程器寫入信息，其內(nèi)容可以更改。在紫外線照射下使電路復(fù)位，原存信息被擦除，然后重新編程。能反復(fù)多次使用。EPROM廣泛應(yīng)用于各種微機(jī)系統(tǒng)。通常采用的標(biāo)準(zhǔn)芯片有：2716（2KB）、2732（4KB）2764（8KB）、27128（16KB）27256（32KB）、27512（64KB）。(4)

電擦除可編程ROM（EEPROM）采用電的方法擦除，能整片擦除，字節(jié)擦除，擦除和寫入可以在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行，不需要附加設(shè)備，每個(gè)字節(jié)允許擦寫次數(shù)目前約1萬(wàn)次。因而比EPROM性能更優(yōu)越，但價(jià)格較高。常用的有兩種類型芯片：①＋21V寫入：2816，2817（2K字節(jié)）。②＋5V寫入：2816A，2817A（2K字節(jié)），2864（8K字節(jié)）。

（5）

快擦寫型存儲(chǔ)器（FlashMemory）

一種新型的可擦除、非易失性存儲(chǔ)器。它既有EPROM價(jià)格低、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，又有EEPROM電可擦除和寫入的特性。其擦除和寫入的速度比EEPROM快得多，目前商品化的FlashMemory已做到允許擦寫次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次。這種存儲(chǔ)器具有很好的應(yīng)用前景。

2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：功能：存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果。需要經(jīng)常進(jìn)行讀寫操作，所以通常采用半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器，即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory）RAM作為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。EEPROM也可用作片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MOS型RAM按基本存儲(chǔ)電路的結(jié)構(gòu)和特性分4類

（1）

靜態(tài)RAM（SRAM）

基本存儲(chǔ)單元是MOS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。SRAM能可靠地保持所存信息。常用的芯片有6116（2K字節(jié)），6264（8K字節(jié)）。SRAM芯片集成度較低，功耗較大，電路連接簡(jiǎn)單，斷電信息丟失（易失性），常用于存儲(chǔ)容量較小的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)（2）

動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）

利用MOS管的柵極和源極之間的電容來(lái)保存信息。由于柵源極間電容的電荷量會(huì)逐漸泄漏，因此需要由CPU按一定時(shí)間（如1～2ms）將所有存入的信息逐個(gè)讀出來(lái)，經(jīng)放大后再寫回去，以保持原來(lái)的信息不變。這一操作稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新。為此需要刷新電路和相應(yīng)的控制邏輯。常用的芯片有2164（64K位）等。DRAM芯片集成度高，功耗小，價(jià)格低，但有關(guān)電路較復(fù)雜，廣泛用于存儲(chǔ)容量大的微機(jī)系統(tǒng)。（3）

集成RAM（iRAM）

集成RAM（IntegratedRAM，縮寫為iRAM），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(jiǎn)化了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2186（4）

非易失性RAM（NVRAM）

非易失性RAM（Non-VoIatileRAM，縮寫為NVRAM），其存儲(chǔ)體由SRAM和EEPROM兩部分組合而成。正常讀寫時(shí)，SRAM工作。當(dāng)要保存信息時(shí)（如電源掉電），控制電路將SRAM的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中保存。存入EEPROM中的信息又能夠恢復(fù)到SRAM中。NVRAM既能隨機(jī)存取，又具有非易失性，適合用于需要掉電保護(hù)的場(chǎng)合。目前芯片容量還不能做得很大，另外由于EEPROM的擦寫次數(shù)有限制，因而影響NVRAM的使用壽命。

第二節(jié)：地址的鎖存

一、鎖存的作用 由于P0口采用分時(shí)復(fù)用。CPU先從P0口輸出低八位地址，從P2口輸出高八位地址，選擇訪問(wèn)的單元，再?gòu)腜0口讀寫數(shù)據(jù)。所以，應(yīng)通過(guò)地址鎖存器把P0口首先輸出的低八位地址鎖存起來(lái)。ALE是鎖存命令，P0輸出的地址8位在ALE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8位A7～A0。

二、地址鎖存器

地址鎖存器通常使用TTL芯片74LS373。它是帶有三態(tài)門的8D鎖存器，雙列直插20引腳三態(tài)門使能端：8D鎖存器控制端輸出端輸入端74LS373可看做兩部分：

鎖存器、三態(tài)門G：8D鎖存器控制端。1：直通，即Qi’＝Di。1變0時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存，輸出端Qi’不再隨輸入端的變化而變化，而一直保持鎖存前的值不變。OE：三態(tài)門使能端。0：三態(tài)門輸出為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平；1：三態(tài)門輸出高阻態(tài)；74LS373的邏輯功能表

74LS373與單片機(jī)的連接方法

第三節(jié)：地址的譯碼

某存儲(chǔ)器芯片地址線：11根A10～A0，空間2K。2K地址空間在微處理器的內(nèi)存空間64K中被分配在什么位置，這由高位地址線A11～A15產(chǎn)生的該芯片的片選信號(hào)CS來(lái)決定。當(dāng)存儲(chǔ)器芯片多于一片時(shí)，為了避免誤操作，必須利用片選信號(hào)來(lái)分別確定各芯片的地址分配。產(chǎn)生片選信號(hào)的方式不同，存儲(chǔ)器的地址分配也就不同。片選方式有線選和譯碼二種一、線選方式：把一根高位地址線直接連到存儲(chǔ)器芯片的片選端

三個(gè)芯片的地址分配

線選方式的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電路連接簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：地址空間不連續(xù)（不能充分利用內(nèi)存空間）、地址重疊。不能充分利用內(nèi)存空間的原因是：用作片選信號(hào)的高位地址線的信號(hào)狀態(tài)得不到充分利用

“地址重疊”：指一個(gè)存儲(chǔ)單元占有多個(gè)地址空間，即不同的地址會(huì)選通同一存儲(chǔ)單元。二、譯碼方式：可克服線選方式的缺點(diǎn)，通過(guò)譯碼器將高位地址線譯碼后輸出來(lái)選通存儲(chǔ)器芯片常用的譯碼器有74LS138（3/8譯碼器）74LS139（雙2/4譯碼器）74LS154（4/16譯碼器）等74LS138引腳圖

74LS138真值表

用譯碼方式實(shí)現(xiàn)片選

根據(jù)譯碼器的邏輯關(guān)系和存儲(chǔ)器的片內(nèi)尋址范圍，三個(gè)芯片的地址空間如下

譯碼方式的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：地址空間連續(xù)，且唯一確定，不存在地址重疊現(xiàn)象；能夠充分利用內(nèi)存空間；當(dāng)譯碼器輸出端留有空余時(shí)，便于繼續(xù)擴(kuò)展存儲(chǔ)器或其它外圍器件。缺點(diǎn):電路連接復(fù)雜一些。

第四節(jié)：外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法，也就是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展一、程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

(一）外部程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序

（二）擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器電路的連接邏輯電路

擴(kuò)展一片EPROM程序存儲(chǔ)器

線選方式擴(kuò)展多片EPROM譯碼方式擴(kuò)展多片EPROMEPROM#01C000H～DFFFHEPROM#02A000H～BFFFHEPROM#036000H～7FFFHEPROM#10000H～1FFFHEPROM#22000H～3FFFHEPROM#34000H～5FFFH線選方式譯碼方式采用譯碼方式擴(kuò)展2764，最多可以擴(kuò)展8片2764兩種方式的地址范圍二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

(一）讀/寫時(shí)序

（二）擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路的連接邏輯

（三）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展實(shí)例

1、擴(kuò)展一片SRAM

2、擴(kuò)展多片SRAM用譯碼方式產(chǎn)生片選信號(hào)。一片6264和一片2764共用一個(gè)片選信號(hào)，因此其地址空間是重疊的。

2764（1）和6264（1）的地址均為0000H～1FFFH，2764（2）和6264（2）的地址均為2000H～3FFFH。

由于訪問(wèn)片外ROM與訪問(wèn)片外