单片机扩展存储器的设计
MCS-51单片机存储器的扩展
第八章MCS-51单片机存储器的扩展第一节MCS-51单片机存储器的概述(一)学习要求1、熟悉MCS-51 单片机的系统总线及系统总线扩展结构2、掌握常用的片选方法：线选法和全地址译码法。
（二）内容提要1、三总线的扩展方法单片机内资源少，容量小，在进行较复杂过程的控制时，它自身的功能远远不能满足需要。
为此，应扩展其功能。
MCS-51单片机的扩展性能较强，根据需要，可扩展。
三总线是指地址总线、数据总线、控制总线。
1）地址总线MCS-51 单片机地址总线宽度为16 位，寻址范围为64K。
地址信号：P0 作为地址线低8 位，P2 口作为地址线高8 位。
2）数据总线MCS-51 单片机的数据总线宽度为8 位。
数据信号：P0 口作为8 位数据口，P0 口在系统进行外部扩展时与低8 位地址总线分时复用。
3）控制总线主要的控制信号有/WR 、/RD 、ALE 、/PSEN 、/EA 等。
2、系统的扩展能力MCS-51 单片机地址总线宽度为16 位，因此它可扩展的程序存储器和数据存储器的最大容量是64K（２１６）。
１）线选法线选法就是将多余的地址总线（即除去存储容量所占用的地址总线外）中的某一根地址线作为选择某一片存储或某一个功能部件接口芯片的片选信号线。
一定会有一些这样的地址线，否则就不存在所谓的“选片”的问题了。
每一块芯片均需占用一根地址线，这种方法适用于存储容量较小，外扩芯片较少的小系统，其优点是不需地址译码器，硬件节省，成本低。
缺点是外扩器件的数量有限，而且地址空间是不连续的。
２）全地址译码法由于线选法中一根高位地址线只能选通一个部件，每个部件占用了很多重复的地址空间，从而限制了外部扩展部件的数量。
采用译码法的目的是减少各部件所占用的地址空间，以增加扩展部件的数量。
３）译码器级连当组成存储器的芯片较多，不能用线选法片选，又没有大位数译码器时，可采用多个小位数译码器级连的方式进行译码片选．４）译码法与线选法的混合使用译码法与线选法的混合使用时，凡用于译码的地址线就不应再用于线选，反之，已用于线选的地址线就不应再用于译码器的译码输入信号．（三）习题与思考题1. 简要说明MCS-51 单片机的扩展原理。
MCS-51单片机大容量数据存储器扩展板设计
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ： ＭＣＳ一５１ ， ｄａ ｔ ａ ｍｅｍＯｒ Ｖ， Ｆ ２ ９Ｃ５１ ００ ４， ｅｘ ｐａ ｎｓ ｉ ｏｎ ｂｏ ａｒ ｄ
Ｆ ２ ９ Ｃ５ １ ０ ０ ４作 为 扩展 存 储 体 。将 数 据 线 和 地 址 线 合 并使 用 ， 对 Ｆ ２ ９ Ｃ ５ １ ０ ０ ４进 行 分 页访 问 ， 解 决 了单 片 机 存储 单 元 及 端 口
不 足 的 问题 ， 释放 了 Ｉ ／ ０ 口。 文 中 以扩 展 ８ ＭＢ的 数 据 存储 器 为例 ， 给 出 了单 片机 扩展 板 的硬 件 电路 和软 件 程 序 。 关键词 ： Ｍ Ｃ Ｓ 一 ５ １ ， 数据存储器 ， Ｆ ２ ９ Ｃ ５ １ ０ ０ ４ ， 扩 展 板
Байду номын сангаас
ＭＣ Ｓ 一 ５ １单 片 机 对 数 据存 储 器 的 扩 展通 常采 用 数 据 总线 和 地址 总线 ， 即Ｐ ０口和 Ｐ ２ 口来 完 成 ， 最大寻址空间可达 ６ ４ Ｋ Ｂ。 随 着单片机应用领域的推广和不断扩大 ， 特 别 是 在 ＧＰ Ｓ数 据 采集
输 出 并 存 放 在 锁 存 器 中备 用 。 Ａ １ ８ 将 锁 存 器 直 接挂 在 数 据 总 线 上 ，并 为其 安 排 一 个 ｌ ／ Ｏ 口地 Ａ １ ６ Ａ １ ５
《 工 业 控 制 计算 机 》 ２ ０ １ ３年 第 ２ ６卷 第 １ 期
ＭＣ Ｓ 一 ５ １ 单片机大容量数据存储器扩展板设计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｏ ｆ Ｌ ａ ｒ ｇｅ — ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ Ｄａ ｔ ａ Ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ Ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｂ ｏ ａ ｒ ｄ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＭＣＳ－ ５ １ ＭＣＵ
单片机存储器扩展
单片机存储器扩展在单片机的应用中，常常会遇到内部存储器容量不足的情况。
这时候，就需要对单片机的存储器进行扩展，以满足系统对存储容量的需求。
单片机的存储器可以分为程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储单片机运行的程序代码，而数据存储器则用于存储程序运行过程中的数据。
当单片机内部的存储器无法满足应用需求时，就需要通过外部扩展来增加存储容量。
在进行存储器扩展之前，我们需要了解单片机的存储器寻址方式。
不同的单片机可能有不同的寻址方式，但通常都包括直接寻址、间接寻址和变址寻址等。
了解寻址方式对于正确进行存储器扩展至关重要。
对于程序存储器的扩展，常用的方法是使用外部只读存储器（ROM），如 EPROM（可擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）等。
扩展时，需要将外部 ROM 与单片机的地址总线、数据总线和控制总线正确连接。
地址总线用于指定存储器的地址，数据总线用于传输数据，控制总线则用于控制存储器的读写操作。
以常见的 8051 单片机为例，它的地址总线为 16 位，可以寻址64KB 的存储空间。
如果要扩展 32KB 的程序存储器，我们可以选用一片容量为 32KB 的 EPROM 芯片，如 27256。
将 EPROM 的地址线 A0A14 与单片机的地址总线 A0 A14 相连，数据线 D0 D7 与单片机的数据总线 D0 D7 相连。
控制总线中的片选信号（CS）通常通过地址译码器来产生，以确保在特定的地址范围内选中该 EPROM 芯片。
在数据存储器的扩展方面，常用的是外部随机存取存储器（RAM），如静态 RAM（SRAM）和动态 RAM（DRAM）。
SRAM 速度较快，但价格相对较高；DRAM 价格较低，但需要不断刷新。
同样以 8051 单片机为例，如果要扩展 8KB 的数据存储器，可以选用一片 6264 SRAM 芯片。
连接方式与程序存储器扩展类似，地址线和数据线分别与单片机的对应总线相连。
单片机外部存储器的扩展
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系统扩展概述
最小应用系统
单片机系统的扩展是以基本的最小系统为 基础的, 故应首先熟悉最小应用系统的结构。
实 际 上 ， 内 部 带 有 程 序 存 储 器 的 8051 或 8751单片机本身就是一个最简单的最小应用系 统，许多实际应用系统就是用这种成本低和体 积小的单片结构实现了高性能的控制。
系统扩展容量 芯片数目= 存储器芯片容量
若所选存储器芯片字长与单片机字长不一 致，则不仅需扩展容量，还需字扩展。所需 芯片数目按下式确定：
芯片数目= 系统扩展容量 × 系统字长 存储器芯片容量 存储器芯片字长
扩展程序存储器常用EPROM芯片：
2716(2K×8位)、2732(4KB)、2764(8KB)、 27128(16KB)、27256(32KB)、27512(64KB)。
对于内部无程序存储器的芯片8031来说, 则 要用外接程序存储器的方法才能构成一个最小 应用系统。
1. 片内带程序存储器的最 小应用系统
片内带程序存储器 的8051、 8751本身即可构 成一片最小系统，只要将 单片机接上时钟电路和复 位电路即可, 同时E A 接高 电平, ALE、P S E N 信号不 用， 系统就可以工作。
（1）完全译码。地址译码器使用了全部地址线，地址与存储 单元一一对应，也就是1个存储单元只占用1个唯一的地址。
（2）部分译码。地址译码器仅使用了部分地址线，地址与存 储单元不是一一对应，而是1个存储单元占用了几个地址。
二、扩展存储器所需芯片数目的确定
若所选存储器芯片字长与单片机字长一致， 则只需扩展容量。所需芯片数目按下式确定：
单片机P0口的片外数据存储器扩展设计技巧
单片机P0口的片外数据存储器扩展设计技巧
随着单片机运算速度和处理能力的不断提高，其在各个领域得到更广泛的应用。
然而，随着其应用领域的不断扩大及集成化的不断提高，其内部资源已不能满足实际需求，往往需要对其内部资源进行扩展。
经典的扩展方法主要是通过地址总线、数据总线即P0、P2口，以及控制线ALE等来进行数据或程序存储器的扩展，最大寻址空间可达64KB，但这种方法占用端口较多，在有些情况下不能满足需求。
这里以MCS-8051系列单片机为例，介绍一种新的片外数据存储器扩展方法，仅用单片机的P0口、P1.6及P1.7共10个端口便可实现256KB数据存储器的扩展。
1 总体设计思路
MCS-8051单片机片内部存储空间为256 B，有P0、P1、P2、P3 4个I/O 端口。
实际应用中，其内部存储空间往往不能满足需求，常常会在片外进行扩展。
有别于经典的扩展方法，这里并没有用到P2口，仅用P0口和各个存储器的地址线、数据线连接，组成地址总线和数据总线。
同时将PO口的
P0.0、P0.1和P0.2这3个端口引到译码器件的输入端，译码后作为数据存储器件的片选择控制线，与单片机的其他控制端口一起形成控制总线。
从而通过数据总线、地址总线和控制总线这3个总线实现单片机片外256 KB数据存储器的扩展。
单片机的PO口具备地址总线、数据总线及控制线的功能。
由软件来分时传送地址信号、数据信号和片选择控制信号。
2 硬件接口电路设计
MCS-805l单片机与多片62256数据存储器的扩展电路主要由8片62256型。
单片机存储器的扩展(part 1 80C51)
在软件中，可用数据查询方式检测写操作中”页存 储周期“是否完成。“页存储”期间，如果对2864执行 读操作，那么读出的是最后写入的字节，若芯片的转储 工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最高 位的反码。据此，CPU可判断芯片的编程是否结束。如 果CPU读出的数据与写入的数据相同，表示芯片已完成 编程，CPU可继续向芯片加载下一页数据。
/OE：数据输出允许信号
6116共有四种工作方式：未选中、禁止、读出、写入（见教材 P127表5-4/表6.2）。
5.4.4数据存储器扩展举例 在 80C51 的扩展系统中，片外数据存储器一般由随 机存取存储器组成，最大可扩展64KB。数据存储器扩展 与程序存储器扩展在数据线、地址线的连接上是完全相 同的。所不同的只在于控制信号，程序存储器使用 /PSEN作为读选通信号，而数据存储器则使用/RD和/WR 分别作为读、写选通信号 1、单片数据存储器扩展 例：见图所示（或见教材P127图5.11/图6.9）。这里使用 了一片 6116 实现了 2KB RAM 扩展。在扩展连接中，以 /RD 信号接芯片的 /OE 端，以 /WR 信号接 /WE 端，进行 RAM芯片的读写控制。由于假定系统只有一片 6116，因 此没有使用片选信号，而把/CE端直接接地。这种情况下， 6116的地址范围是0000~07FFH。 与程序存储器相比较，数据存储器的扩展连接在数 据线、地址线的连接方法上是一致的，所不同的只是在 控制信号线上的差别。
51系列单片机教程(共15章) 第8章
在大多数应用的场合，还是并行扩展占主导地位。
8.3 读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器 8.3.1 存储器扩展的读写控制 RAM芯片：读写控制引脚，记为OE*和WE* ，与MCS-51 的RD*和WR*相连。 EPROM芯片：只能读出，故只有读出引脚，记为OE* ， 该引脚与MCS-51的PSEN*相连。 8.3.2 存储器地址空间分配
口部件的扩展下一章介绍。
系统扩展结构如下图:
MCS-51单片机外部存储器结构:哈佛结构 。 MCS-96单片机的存储器结构:普林斯顿结构。 MCS-51数据存储器和程序存储器的最大扩展空间各为 64KB。 系统扩展首先要构造系统总线。 8.2 系统总线及总线构造 8.2.1 系统总线 按其功能通常把系统总线分为三组： 1.地址总线（Adress Bus,简写AB） 2.数据总线(Data Bus，简写DB) 3.控制总线（Control Bus，简写CB） 8.2.2 构造系统总线
地址锁存器一般采用74LS373，采用74LS373的地址总 线的扩展电路如下图(图8-3)。
1.以P0口作为低8位地址/数据总线。 2．以P2口的口线作高位地址线。 3.控制信号线。 *使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。 *以PSEN*信号作为扩展程序存储器的读选通信号。 *以EA*信号作为内外程序存储器的选择控制信号。 *由RD*和WR*信号作为扩展数据存储器和I/O口的 读选通、写选通信号。 尽管MCS-51有4个并行I/O口，共32条口线，但由于系 统扩展需要，真正作为数据I/O使用的，就剩下P1 口和P3口的部分口线。 8.2.3 单片机系统的串行扩展技术
8.3.3 外部地址锁存器
常用的地址锁存器芯片有: 74LS373、8282、74LS573 等。 1. 锁存器74LS373 带有三态门的8D锁存器,其引脚其内部结构如下图。
MCS-51单片机存储器的综合扩展及软件设计
３ 数 据 存 储 器 的 扩展 ２ 程序 存 储 器 的 扩 展
ＭＣ 一 １ 外 数 据 存 储 器 最 大 寻 址 空 间 也 为 ６Ｋ Ｓ５ 片 ４。
程 序存储 器 与数 据存储 器 ６ Ｋ的地 址重 叠 ；数 据存 ４
储 器 和片 内最低 的 １８个 字 节地 址重 叠 ，但 由 于它们 采 ２
测试 数据存 储器 为外 部扩 展 Ｒ Ｍ，占用 片外 数据存 Ａ
储 器 空 间 ，芯 片采 用 ６ Ｃ ５ ，插 在 Ｄ １ １ Ｅ嵌入 式锂 ２２６ Ｓ２６ 电池智 能 时 钟／ ＡＭ 芯 片插 座 上 ，构成 非 易 失性 Ｒ Ｒ ＡＭ。 其 芯 片 及 其 接 口 如 图 ２所 示 （ ５ ０ Ａ１ － ，选 中 Ｄ １ １Ｅ Ｓ２ ６ ／ ６Ｃ ５ ） （ ２ ２ ６ 地址 空间 ：０ ０ Ｈ－ Ｆ Ｆ 。 ０ ０ ７ Ｆ Ｈ） 片 外数 据存 储 器 和 片外 数 据 区和 扩 展 Ｉ０口统 一 编 ／ 址 ，所 有 外 围 接 口的地 址 均 占用 ＲＡ 地 址 单元 ， 因此 Ｍ 测 试数 据存储 区设 计为 ３ Ｋ，由 ６ Ｃ ５ ２ ２ ２ ６芯 片扩展 而成 。 另 外 ８ Ｃ １ 内数 据存储 空 间 １ ８个字节 。 ０３ 片 ２
温室 内空气温度
温室 内土壤水分古量
８． Ｈ ５ ％Ｒ ５ ４． Ｈ ９ ％Ｒ ５
数值 型 数值 型
数值 型 数值 型
２ 字节 （ 高位在前 ） ２ 字节 （ 高位在前 ）
温室内土壤温度
温室内 Ｃ ２ Ｏ 浓度 温室 内关照强度
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7.1 存储器扩展概述
二、扩展方法 存储器扩展的核心问题是存储器的编址问题。 所谓
编址就是给存储单元分配地址。由于存储器通常由多 片芯片组成, 为此存储器的编址分为两个层次: 即存储 器芯片的选择和存储器芯片内部存储单元的选择。 存储器芯片的选择有两种方法: 线选法和译码法。 1. 线选法：所谓线选法, 就是直接以系统的地址线作为存 储器芯片的片选信号, 为此只需把用到的地址线与存储 器芯片的片选端直接相连即可。 2. 译码法：所谓译码法就是使用地址译码器对系统的片 外地址进行译码, 以其译码输出作为存储器芯片的片选 信号。
单片机原理
7.1 存储器扩展概述
在设计地址译码器电路时， 如果采用地址译码关 系图的话，将会带来很大的方便。
所谓地址译码关系图，就是一种用简单的符号 来表示全部地址译码关系的示意图。 从地址译码关系图上可以看出以下几点：
① 属完全译码还是部分译码； ② 片内译码线和片外译码线各有多少根； ③ 所占用的全部地址范围为多少。
P S E N ——片外程序存储器取指信号。 R D ——片外数据存储器读信号。 W R ——片外数据存储器写信号。
下图为单片机扩展成3总线结构的示意图。这样一 来, 扩展芯片与主机的连接方法同一般3总线结构的微 型计算机就完全一样了。对于MCS-51系列单片机而言, Intel 公司专门为它们配套生产了一些专用外围芯片, 使 用起来就更加方便。
共占用了两组地址， 这两组地址在使用中同样有效
单片机原理
7.2 单片机的总线结构
当单片机最小系统不能满足系统功能的要求时, 就需要进行扩展。 为了使单片机能方便地与各种 扩展芯片连接, 常将单片机的外部连线变为一般的 微型计算机3总线结构形式。 对于MCS-51系列单 片机, 其3总线由下列通道口的引线组成:
单片机原理
7.1 存储器扩展概述
A15A14 A13A12 A11A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 . 0 1 0 0 XXXXXXXXXXX
在上面的关系图中，有1个“·”(A15不接)，表示为部分译码， 每个单元占用2个地址。片内译码线有11根(A10～Ａ0), 片外译码 线有4根。其所占用的地址范围如下： 当 A15 为 0 时 ， 所 占0 ～ 0010011111111111， 即2000H～27FFH。 当 A15 为 1 时 ， 所 占 用 地 址 为 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ～ 1010011111111111, 即A000H～A7FFH。
单片机原理
7.2 单片机的总线结构
单片机原理
7.3 常用扩展器件简介
单片机原理
7.3 常用扩展器件简介
1、 8D锁存器74LS373
74LS373是一种带输出三态门的8D锁存器， 其结 构示意图如下图所示。 其中：1D～8D为8个输入端。
1Q～8Q为8个输出端。 G为数据打入端： 当G为“1”时， 锁存器输出状 态(1Q～8Q)同输入状态(1D～8D)； 当G由“1”变 “0”时， 数据打入锁存器中。
如存储器、并行接口、A/D接口、显示接口等, 但总线接 口的负载能力有限, 因此常常需要通过连接总线驱动器 进行总线驱动。
系统总线中地址总线和控制总线是单向的, 因此驱动 器可以选用单向的, 如74LS244。 74LS244还带有三态控 制, 能实现总线缓冲和隔离。
单片机原理
7.3 常用扩展器件简介
2、3—8译码器74LS138 3—8译码器74LS138为一种常用的地址译码器
芯片，其管脚图如下图所示。其中， G1、G 2 A G 2 B 三个控制端， 只有当G1为“１”且G 2 A G, 2 B 均 为“0”时，译码器才能进行译码输出。否则译码 器的8个输出端全为高阻状态。 译码输入端与输出 端之间的译码关系如下表所示。
单片机扩展存储器的设计
7.1 存储器扩展概述
(1) 片内带程序存储器的最小应用系统 片内带程序存储器的8051、 8751本身即可构
成一片最小系统, 只要将单片机接上时钟电路和复 位电路即可, 同时 E A 接高电平, ALE、P S E N 信号 不用, 系统就可以工作。 如图 (a)所示 (2) 片内无程序存储器的最小应用系统
片内无程序存储器的芯片构成最小应用系统 时, 必须在片外扩展程序存储器。 由于一般用作 程序存储器的EPROM芯片不能锁存地址, 故扩展 时还应加1个锁存器, 构成一个3片最小系统, 如图 (b)所示。 该图中74LS373为地址锁存器, 用于锁 存低8位地址。
单片机原理
7.1 存储器扩展概述
单片机原理
数据总线: 由P0口提供。 此口是双向、 输入三 态控制的8位通道口。
地址总线: 由P2口提供高8位地址线, 此口具有 输出锁存的功能, 能保留地址信息。 由P0口提供 低8位地址线。因为P0口又作为8位数据线(分时复 用)，因此，还需要增加一个8位锁存器。
单片机原理
7.2 单片机的总线结构
控制总线: 扩展系统时常用的控制信号为: ALE——地址锁存信号, 用以实现对低8位地址的锁存。
具体使用时，G1、G 2 A 与G 2 B 既可直接接至+5V 端或地，也可参与地址译码。但其译码关系必须为 100。需要时也可通过反相器使输入信号符合要求 。
单片机原理
7.3 常用扩展器件简介
单片机原理
7.3 常用扩展器件简介
3、总线驱动器74LS244、 74LS245 在单片机应用系统中, 扩展的三总线上挂接很多负载,
单片机原理
7.1 存储器扩展概述
译码法又分为完全译码和部分译码两种。 (1) 完全译码：地址译码器使用了全部地址线， 地
址与存储单元一一对应，也就是1个存储单元只占 用1个唯一的地址。 (2) 部分译码：地址译码器仅使用了部分地址线， 地址与存储单元不是一一对应， 而是1个存储单 元占用了几个地址。 1根地址线不接， 一个单元 占用2(21)个地址； 2根地址线不接， 一个单元占 用4(22)个地址； 3根地址线不接， 则占用8(23)个 地址， 依此类推。