MCS-51单片机拓展存储器的设计

Posted 2020-12-06 lihello

概述

MCS-51单片机片内集成了各种存储器和I/O功能部件，但有时根据应用系统的功能需求，片内的资源还不能满足需要，还需要外扩存储器和I/O功能部件（也称I/O接口部件），这就是通常所说的MCS-51单片机的系统扩展问题。

MCS-51系统扩展的内容主要有外部存储器的扩展（外部存储器又分为外部程序存储器和外部数据存储器）和I/O接口部件的扩展。本章介绍MCS-51单片机如何扩展外部存储器，有关I/O接口部件的扩展将在下一章介绍。MCS-51系统扩展结构如图8-1所示。

由图8-1可以看出：系统扩展是以MCS-51单片机为核心进行的。扩展内容包括扩展程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、I/O接口部件及I/O设备等。

MCS-51单片机外部存储器结构，采用的是哈佛结构，即程序存储器的空间和数据存储器的空间是截然分开的。还有一种外部存储器的结构，它是程序存储器和数据存储器合用一个空间的结构：普林斯顿结构。例如，MCS-96单片机的存储器结构就是采用普林斯顿结构。

MCS-51单片机数据存储器和程序存储器的最大扩展空间各为64 KB，扩展后，系统形成了 2个并行的64 KB外部存储器空间。

由图8-1可以看出，扩展是通过系统总线进行的，通过总线把MCS-51单片机与各扩展部分连接起来，并进行数据、地址和控制信号的传送。因此，要进行系统扩展首先要构造系统总线。

系统总线及总线构造

系统总线

所谓总线，就是连接计算机各部件的一组公共信号线。MCS-51使用的是并行总线结构，按其功能通常把系统总统分为三组，即：

1. 地址总线（Address Bus,简写AB）
   地址总线用于传送单片机发出的地址信号，以便进行存储单元和I/O端口的选择。地址总线是单向的，只能由单片机向外送出。地址总线的数目决定着可直接访问的存储单元的数目。例如，”位地址，可以产生地址的数目为2”个连续地址编码，因此可以访问2”个存储单元，即通常所说的寻址范围为2”个地址单元。MCS-51单片机最多可以扩展64 KB,即65 536个地址单元，因此，地址总线为16条。
2. 数据总线（Data Bus,简写DB）
   数据总线用于在单片机与存储器之间或单片机与I/O之间传送数据。单片机系统数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。MCS-51单片机是8位字长，所以，数据总线的位数也是8位的。数据总线是双向的，可以进行2个方向的传送。
3. 控制总线（Control Bus,简写CB）
   控制总线实际上就是一组控制信号线，包括单片机发出的，以及从其它部件传送给单片机的。对于一条具体的控制信号线来说,其传送方向是单向的，但是由不同方向的控制信号线组合的控制总线则表示为双向。

由于单片机系统采用总线结构形式，可以大大减少单片机系统中传输线的数目，提高了系统的可靠性，增加了系统的灵活性。此外，总线结构也使扩展易于实现，各功能部件只要符合总线规范就可以很方便地接入系统，实现单片机的
系统扩展。

构造系统总线

既然单片机的扩展系统是并行总线结构，因此单片机系统扩展的首要问题就是构造系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储器芯片或I/O接口芯片，“挂”存储器芯片就是存储器扩展，“挂” I/O接口芯片就是I/O扩展。

MCS-51单片机受引脚数目的限制，数据线和低8位地址线是复用的，而P0 口线兼用。为了将它们分离出来，以便同单片机片外的扩展芯片正确的连接,需要在单片机外部増加地址锁存器，从而构成与一毆CPU相类似的片外三总线，如图7.2所示。

地址锁存器一般采用74LS373,采用74LS373的地址总线的扩展电路如图7.3所示。

由MCS-51的P0 口送出的低8位有效地址信号是在ALE（地址锁存允许）信号变高的同时出现的，并在ALE由高变低时，将出现在P0 口的地址信号锁存到外部地址锁存器74LS373中，直到下一次ALE变高时，地址才发生变化，随后，P0 口又作为数据总线口。

下面说明总线的具体构造方法。

• 以P0 口作低8位地址/数据总线锁存器
  因为P0 口即作低8位地址线，又作数据线（分时复用），因此，需要增加一个8位锁存器。在实际应用时，先把低8位地址送锁存器暂存，然后再由地址锁存器给系统提供低8位地址，而把P0 口线作为数据线使用。

  实际上，MCS-51单片机的P0 口的电路设计已考虑了这种应用要求，P0口线内部电路中的多路转接电路MUX以及地址/数据控制就是为此目的而设计的。

• 以P2 口的口线作高位地址线
  如果使用P2 口的全部8位口线，再加上P0 口提供的低8位地址，便可形成完整的16位地址总线，使单片机系统的寻址范围达到64KB。但在实际应用系统中，高位地址线并不固定为8位，需要用几位就从P2 口中引出几条口线。

• 控制值号线
  除了地址线和数据线之外，在扩展系统中还需要一些控制信号线，以构成扩展系统的控制总线。这些信号有的是单片机引脚的第一功能信号，有的则是第二功能信号。其中包括：

  1. 使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。
  2. 以瓦丽信号作为扩展程序存储器的读选通信号。
  3. 以林信号作为内外程序存储器的选择控制信号。
  4. 以而和丽信号作为扩展数据存储器和I/O 口的读选通、写选通信号。

可以看出，尽管MCS-51单片机有4个并行的I/O 口，共32条口线，但由于系统扩展的需要，真正作为数据I/O使用的，就剩下P1 口和P3 口的部分口线了。

读写控制、地址空间分配和外部地址锁存器

存储器拓展的读写控制

外扩的RAM芯片既能读出又能写人，所以通常都有读写控制引脚，记为OE和WE。外扩RAM的读写控制引脚分别与MCS-51的RD和WR引脚相连。

外扩的EPROM在正常使用中只能读出，不能写入，故EPROM芯片没有写入控制引脚，只有读出引脚，记为OE，该引脚与MCS-51单片机的歯J引脚相连。

存储器地址空间分配

在实际的单片机应用系统设计中，即需要扩展程序存储器，往往又需要扩展数据存储器。在MCS-51扩展多片的程序存储器、数据存储器芯片的情况下，如何把外部各自的64KB的空间分配给各个芯片，并且使程序存储器的各个芯片之间、数据存储器（I/O接口芯片也作为数据存储器一部分）各芯片之间，地址不能发生重叠，以使单片机读、写外部存储器时，避免发生数据冲突。这就是存储器的地址空间的分配问题。存储器的地址空间分配，实际上就是使用系统提供的地址线,通过适当连接，最终达到一个存储器单元只对应一个地址的要求。

MCS-51通过地址总线发出的地址是用来选择某一个存储器单元，在外扩的多片存储器芯片中，MCS-51要完成这种功能，必须进行两种选择：一是必须选中该存储器芯片（或I/O接口芯片），这称为片选。只有被“选中”的存储器芯片才能被MCS-51读出或写入数据。二是必须选择出该芯片的某一单元，称为单元选择。为了芯片选择（片选）的需要，每个存储器芯片都有片选信号引脚，因此芯片的选择的实质就是如何通过MCS-51的地址线来产生芯片的片选信号。

通常把单片机系统的地址笼统地分为低位和高位地址，存储器芯片的某一存储单元选择使用低位地址，剩下的高位地址才作为芯片选择使用，因此芯片的选择都是使用高位地址线。实际上，在16位地址线中，高、低位地址线的数目并不是固定的，我们只是把用于存储单元选择所使用的地址线，都称为低位地址线，剩下多少就有多少高位地址线。存储器地址空间分配除了考虑地址线的连接外，还讨论各存储器芯片在整个存储空间中所占据的地址范围，以便在程序设计时正确地使用它们。常用的存储器地址分配的方法有两种：线性选择法（简称线选法）和地址译码法（简称译码法），下面分别予以介绍。

线选法

线选法就是直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的片选信号。为此，只需把用到的高位地址线与存储器芯片的片选端直接连接即可。线选法的优点是电路简单，不需要地址译码器硬件，体积小，成本低。缺点是可寻址的器件数目受到限制，故只用于不太复杂的系统中。另外，地址空间不连续，每一个存储单元的地址不唯一，这会给程序设计带来一些不方便。

下面通过一个具体例子,来说明线选法的具体应用。

假设某一单片机系统，需要外扩8KB的EPR0M（2片2732）,4KB的RAM（2片6116）,这些芯片与MCS -51单片机的接口电路如图7.4所示，这里只画出与地址分配有关的地址线连线。

先看程序存储器2732与MCS-51的连接。由于2732是4KB的程序存储器，有12根地址线A11 ~ A0,它们分别与单片机的P0 口及P2.0-P2.3相连，从而实现4K字节单元的选择。电于系统中有2片程序存储器，存在2片程序存储器芯片之间相区别的问题，2732(1)片选CE接A15(P2.7)，2732(2)片选端赤接A14(P2.6)，当要选中某个芯片时，单片机P2 口对应的片选信号引脚应为低电平，其它引脚一定要为高电平。这样才能保证一次只选中一片，而不会再选中其它同类存储器芯片，这就是所谓的线性选址法，简称线选法。

再来看数据存储器与单片机的接口。数据存储器也有2片芯片需要区别。这里用P2.5和P2.4分别作为这2片芯片的片选信号。当要选中某个芯片时，单片机P2 口对应的片选信号引脚应为低电平，其它引脚一定要为高电平。由于6116是2KB的，需要11根地址线作为存储单元的选择，而剩下的P2 口线(P2.4-P2.7)正好作为片选线。

从图7.4中可以看出，程序存储器2732的低2KB和数据存储器6116的地址是重叠的。那么会不会MCS-51发出访问2732某个单元的地址时，同时也会选中6116的的某个单元，这样MCS-51就会同时选中两个单元，从而发生数据冲突，产生错误呢？

这种情况，完全不用担心，虽然两个单元的地址是一样的，但是MCS-51发给两类存储器的控制信号是不一样的。如果访问的是程序存储器，则是PSEN信号有效；如果访问的是数据存储器，则是RD或WR信号有效。以上控制信号是由MCS-51执行访问外部程序存储器或访问外部数据存储器的指令产生，任何时刻只能执行一种指令，产生一种控制信号，所以不会产生数据冲突的问题。

通过上面的讨论，可以得出一个重要的结论：MCS-51单片机外扩程序存储器和数据存器的地址空间可以重叠，只是注意程序存储器和程序存储器之间，数据存储器和数据存储器之间，千万不要发生地址重叠。现在再来看两个程序存储器的地址范围。

译码法

译码法就是使用译码器对MCS-51的高位地址进行译码，译码器的译码输出作为存储器芯片的片选信号。这是一种最常用的存储器地址分配的方法，它能有效的利用存储器空间，适用于大容量多芯片的存储器扩展。

译码电路可以使用现成的译码器芯片。最常用的译码器芯片有：74LS138（3- 8译码器）7415139（双2-4译码器）7415154（4- 16译码器），它们的CMOS芯片分别为：74HC138、74HC139、74HC154。它们使用灵活，完全可根据设计者的要求来组合译码，产生片选信号。

若全部地址都参加译码，称为全译码；若部分地址参加译码，称为部分译码，部分译码存在着部分存储器地址空间相重叠的情况。