程序存储器扩展-《单片机原理及接口技术》

时间：2023-11-05 理论教育 版权反馈

【摘要】：单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。对于MCS-51系列8位单片机，片内程序存储器的类型及容量见表6-4。这里要注意的是，MCS-51单片机有一个管脚跟程序存储器的扩展有关。8031单片机没有片内程序存储器，因此管脚总是接低电平。对于这类单片机，扩展外部程序存储器的工作即可省去。

单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。单片机应用系统由硬件和软件组成，软件的载体就是硬件中的程序存储器。对于MCS-51系列8位单片机，片内程序存储器的类型及容量见表6-4。

表6-4　MCS-51系列单片机片内程序存储器一览表

程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保存程序（称此特性为非易失性的），在系统通电后，CPU可取出这些指令予以重新执行。只读存储器简称为ROM（Read Only Memory）。ROM中的信息一旦写入之后，就不能随意更改，特别是不能在程序运行的过程中写入新的内容，故称之为只读存储器。

对于没有内部ROM的单片机或者当程序较长、片内ROM容量不够时，用户必须在单片机外部扩展程序存储器。MCS-51单片机片外有16条地址线，即P0口和P2口，因此最大寻址范围为64KB（0000 H～FFFFH）。

这里要注意的是，MCS-51单片机有一个管脚跟程序存储器的扩展有关。如果接高电平，那么片内存储器地址范围是0000 H～0FFFH（4KB），片外程序存储器地址范围是1000H～FFFFH（60KB）。如果接低电平，不使用片内程序存储器，片外程序存储器地址范围为0000 H～FFFFH（64KB）。

8031单片机没有片内程序存储器，因此管脚总是接低电平。

如果程序总量不超过4KB，一般选用具有内部ROM的单片机。8051内部ROM只能由厂家将程序一次性固化，不适合小批量用户和程序调试时使用，因此选用8751、8951的用户比较多。如果程序超过4KB，一般不会选用8751、8951，而是直接选用8031，利用外部扩展存储器来存放程序。

向ROM中写入信息叫做ROM编程。根据编程的方式不同，ROM分为以下几种：

1）掩膜ROM。掩膜ROM是在制造过程中编程。因编程是以掩膜工艺实现的，因此称为掩膜ROM。这种芯片存储结构简单，集成度高，但由于掩膜工艺成本较高，因此只适合于大批量生产。在批量大的生产中，一次性掩膜生产成本才是很低的。

2）可编程ROM（PROM）。PROM（可编程只读存储器）芯片出厂是并没有任何程序信息，是由用户独立的编程器写入的。但PROM只能写入一次，写入内容后，就不能再进行修改。

3）EPROM。EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）型（紫外线可擦除型）是用电信号编程，用紫外线擦除的只读存储器芯片。在EPROM芯片外壳上的中间位置有一个圆形玻璃窗口，通过这个窗口在紫外线照射下，存储器中的各位信息均变1，即处于擦除状态。擦除干净的EPROM可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。

4）E2 PROM（EEPROM）。用＋5V电可擦除E2 PROM，这是一种用电信号编程，也用电信号擦除的ROM芯片，对E2 PROM的读写操作与RAM存储器几乎没有什么差别，只是写入的速度慢一些，但断电后能够保存信息。常用芯片有2816（2K×8）、2864（8K×8）等。

5）Flash ROM。Flash ROM又称闪烁存储器，或称快擦写ROM。Flash ROM是在EPROM、E2 PROM的基础上发展起来的一种只读存储器。是一种非易失性、电擦除型存储器。其特点是可快速在线修改其存储单元中的数据，标准改写次数可达1万次，而成本却比普通E2 PROM低得多，因而可大量替代E2 PROM。与E2 PROM相比，E2 PROM的写入的速度较慢。但是，Flash ROM的读写速度都很快，存取时间可达70ns。由于其性能比E2 PROM要好，所以目前大有取代E2 PROM的趋势。

目前，许多公司生产的以MCS-51单片机为内核的单片机，在芯片内部集成了数量不等的Flash ROM。例如，美国ATMEL公司生产的89C51单片机，片内有4KB的Flash ROM；生产的89C55单片机，内部有20KB的Flash ROM。对于这类单片机，扩展外部程序存储器的工作即可省去。

1.EPROM芯片介绍

程序存储器的扩展可根据需要来使用上述的各种只读存储器的芯片，但使用比较多的是EPROM、E2 PROM，下面首先对常用的EPROM芯片进行介绍。

EPROM的典型芯片是27系列产品，例如，2716（2KB×8）、2732（4KB×8）、2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）。型号名称“27”后面的数字表示其位存储容量。如果换算成字节容量，只需将该数字除以8即可。

随着大规模集成电路技术的发展，大容量存储器芯片的产量剧增，售价不断下降。大容量存储器芯片的性价比明显增高，而且由于有些厂家已经停止生产小容量的芯片，使市场上某些小容量芯片的价格反而比大容量芯片还贵（例如，目前2716、2732已经停止生产，在市场上已经很难买到）。所以，在扩展程序存储器设计时，应尽量采用大容量的芯片。这样，不仅可以使电路板的体积缩小、成本降低，还可以降低整机功耗和减少控制逻辑电路，从而提高系统的稳定性和可靠性。

（1）常用的EPROM芯片

27系列EPROM的芯片的引脚如图6-13所示，参数见表6-5。

表6-5　常用EPROM芯片参数表

图6-13　常用的EPROM芯片引脚图

在表6-5中，VCC是芯片供电电压，VPP是编程电压，Im为最大静态电流，Is为维持电流，TRM为最大读出时间。

图6-13中的芯片的引脚功能如下：

A15～A0：地址线引脚。地址线引脚的数目由芯片的存储容量来定，用来进行单元选择。

D7～D0：数据引脚。

片选输入端。

输出允许控制端。

编程时，加编程脉冲的输入端。

VPP：编程时，编程电压（＋12V或＋25V）输入端。

VCC：＋5V，芯片的工作电压。

GND：接地端。

NC：无用端。

（2）EPROM芯片的工作方式

EPROM一般都有5种工作方式，由各信号的状态组合来确定。5种工作方式见表6-6。

1）读出方式。一般情况下，EPROM工作在这种方式。工作在此种方式的条件是使片选控制线为低，同时让输出允许控制线为低，VPP为＋5V，就可将EPROM中的指定地址单元的内容从数据引脚D7～D0上读出。

表6-6　EPROM的5种工作方式

2）未选中方式。当片选控制线为高电平时，芯片进入未选中方式，这时数据输出为高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。EPROM处于低功耗的维持状态。

3）编程方式。在VPP端加上规定好的高编程电压，和端加上合适的电平（不同的芯片要求不同），就能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。此时，编程地址和编程数据分别由系统的A15～A0和D7～D0提供。

4）编程校验方式。在VPP端保持相应的编程电压，再按读出方式操作，读出编程固化好的内容，以校验写入的内容是否正确。

5）编程禁止方式。本工作方式输出呈高阻状态，不写入程序。

2.程序存储器的操作时序

（1）访问程序存储器的控制信号

MCS-51单片机访问片外程序存储器时，所用控制信号有：

1）ALE：用于低8位地址锁存控制。

2）片外程序存储器“读选通”控制信号。接外扩EPROM的OE引脚。

3）片内、片外程序存储器访问的控制信号。＝1时，访问片内程序存储器；当EA＝0时，访问片外程序存储器。

如果指令是从片外EPROM中读取的，除了ALE用于低8位地址锁存信号之外，控制信号还有接外扩EPROM的脚。此外，还要用到P0口和P2口，P0口分时用作低8位地址总线和数据总线，P2口用作高8位地址线。相应的时序图如图6-14所示。

（2）操作时序

由于MCS-51单片机中ROM和RAM是严格分开的，因此，对片外ROM的操作时序分为两种情况：执行非MOVX指令的时序，如图6-14（a）所示；执行MOVX指令的时序，如图6-14（b）所示。

1）应用系统中无片外RAM。无片外RAM，则不用执行MOVX指令。在执行非MOVX指令时，P0口作为地址/数据复用的双向总线，用于输入指令或输出程序存储器的低8位地址。P2口专门用于输出程序存储器的高8位地址。P2口具有输出锁存功能；而P0口除输出地址外，还要输入指令，故要用ALE来锁存P0口输出的地址。在每个机器周期中，允许地址锁存信号ALE两次有效，在ALE下降沿时，锁存出现在P0口上的低8位地址。同时，也是每个机器周期中两次有效，用于选通片外程序存储器，将指令读入片内。

图6-14　外部程序存储器的操作时序

（a）执行非MOVX指令的时序；（b）执行MOVX指令的时序

系统无片外RAM时，此ALE有效信号以振荡器频率的1/6出现在引脚上，它可以用作外部时钟或定时脉冲信号。

2）应用系统中接有片外RAM。在执行访问片外RAM的MOVX指令时，程序存储器的操作时序有所变化。其主要原因在于，执行MOVX指令时，16位地址应转而指向数据存储器，操作时序如图6-14（b）所示。在指令输入以前，P2口、P0口输出的地址PCH、PCL指向程序存储器；在指令输入并判定是MOVX指令后，ALE在该机器周期S5状态锁存的P0口的地址不是程序存储器的低8位，而是数据存储器的地址。若执行的是“MOVX A，＠DPTR”或“MOVX＠DPTR，A”指令，则此地址就是DPL（数据指针的低8位）；同时，在P2口上出现的是DPH（数据指针的高8位）。若执行的是“MOVX A，＠Ri”或“MOVX＠Ri，A”指令，则Ri的内容为低8位地址，而P2口线上将是P2口锁存器的内容。在同一机器周期中将不再出现有效取指信号，下一个机器周期中ALE的有效锁存信号也不再出现；而当有效时，P0口将读/写数据存储器中的数据。

由图6-14（b）可以看出：

①将ALE用作定时脉冲输出时，执行一次MOVX指令会丢失一个脉冲。

②只有在执行MOVX指令时的第二个机器周期期间，地址总线才由数据存储器使用。

3.典型的EPROM接口电路

（1）使用单片EPROM的扩展电路

紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM是国内用得较多的程序存储器。(www.daowen.com)

【例6-1】　在8031单片机上扩展4KB EPROM程序存储器。

解　1）选择芯片。本例要求选用8031单片机，内部无ROM区，无论程序长短都必须扩展程序存储器（目前较少这样使用，但扩展方法比较典型、实用）。

在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。这样做的话，使用的芯片少，从而接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量也大。如估计程序总长3KB左右，最好是扩展一片4KB的EPROM2732，而不是选用2片2716（2KB）。

在单片机应用系统硬件设计中应注意，尽量减少芯片使用个数，使得电路结构简单，提高可靠性，这也是8951比8031使用更加广泛的原因之一。

2）硬件电路图。8031单片机扩展一片2732程序存储器电路如图6-15所示。

3）芯片说明。74LS373：74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于单片机的三总线结构中，数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址。

EPROM2732：EPROM2732的容量为4K×8位。4K表示有4×1024（22×210＝212）个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度是8位。前者确定了地址线的位数是12位（A0～A11），后者确定了数据线的位数是8位（O0～O7）。目前，除了串行存储器之外，一般情况下，使用的都是8位数据存储器。2732采用单一＋5V供电，最大静态工作电流为100m A，维持电流为35m A，读出时间最大为250ns。2732的封装形式为DIP24，管脚如图6-16所示。其中，A0～A11为地址线；O0～O7为数据线；为片选线；为输出允许/编程高压。

除了12条地址线和8条数据线之外，为片选线，低电平有效。也就是说，只有当为低电平时，2732才被选中，否则，2732不工作。为双功能管脚，该引脚为低电平时，允许2732输出数据；当对EPROM编程（也称为固化程序）时，该管脚用于高电压输入，不同生产厂家的芯片编程电压也有所不同。当我们把它作为程序存储器使用时，不必关心其编程电压。

图6-15　单片机扩展2732EPROM电路

4）扩展总线的产生。一般的CPU，如Intel 8086/8088、Z80等，都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS-51系列单片机由于受管脚的限制，数据线与地址线是复用的，为了将它们分离开来，必须在单片机外部增加地址锁存器，构成与一般CPU相类似的三总线结构。

5）连线说明如下：

地址线：单片机扩展片外存储器时，地址是由P0和P2口提供的。图6-15中，2732的12条地址线（A0～A11）中，低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高4位A8～A11直接与P2口的P2.0～P2.3连接，P2口本身有锁存功能。注意，锁存器的锁存使能端G必须和单片机的ALE管脚相连。

图6-16　EPROM2732管脚及说明

数据线：2732的8位数据线直接与单片机的P0口相连。因此，P0口是-个分时复用的地址数据线。

控制线：CPU执行2732中存放的程序指令时，取指令阶段就是对2732进行读操作。注意，CPU对EPROM只能进行读操作，不能进行写操作。CPU对2732的读操作控制都是通过控制线实现的。

2732控制线的连接有以下几条：

直接接地。由于系统中只扩展了一个程序存储器芯片，因此，2732的片选端CE直接接地，表示2732一直被选中。若同时扩展多片，需通过译码器来完成片选工作。

接8031的读选通信号端。在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从2732中读出程序。

6）扩展程序存储器地址范围的确定。单片机扩展存储器的关键是搞清楚扩展芯片的地址范围，MCS-51单片机最大可以扩展64KB。（0000H～FFFFH）。决定存储器芯片地址范围的因素有两个：一个是片选端的连接方法，一个是存储器芯片的地址线与单片机地址线的连接。在确定地址范围时，必须保证片选端为低电平。

本例中，2732的片选端总是接地，因此第一个条件总是满足的，另外，2732有12条地址线，与8031的低12位地址相连，编码结果见表6-7。

表6-7　8031与2732连接的地址编码

由此可见，本例中扩展的2732的地址范围是0000H～FFFFH（无关的管脚取0，范围不是唯一的），共4KB容量。

7）EPROM的使用。存储器扩展电路是单片机应用系统的功能扩展部分，只有当应用系统的软件设计完成了，才能把程序通过特定的编程工具（一般称为编程器或EPROM固化器）固化到2732中，然后再将2732插到用户板的插座上。

当上电复位时，PC＝0000H，自动从2732的0000H单元取指令，然后开始执行指令。

如果程序需要反复调试，可以用紫外线擦除器先将2732中的内容擦除，然后再固化修改后的程序，进行调试。

如果要从EPROM中读出程序中定义的表格，需要使用查表指令：

MOVC　A，＠A＋DPTR

MOVC　A，＠A＋PC

在例6-2中详细介绍了2732与8031单片机的接口设计，下面介绍2764，27128，27512，27256芯片与8031单片机的接口电路。

由于2764与27128引脚的差别仅在26脚上，2764的26脚是空脚，27128的26脚是地址线A13，因此在设计外扩存储器电路时，应选用27128芯片设计电路。在实际应用时，可将27128换成2764，系统仍能正常运行，反之，则不然。图6-17给出了MCS-51外扩16KB字节EPROM的27128的电路图。图6-18给出了MCS-51外扩32KB字节的EPROM 27256的线路图。

图6-17　8031与27128的接口电路

图6-18　8031与27256的接口电路

注意在图6-17、图6-18中的两种地址锁存器的用法。对于图6-17和图6-18中程序存储器所占的地址空间，读者可以自己分析。

（2）E2 PROM扩展实例

电擦除可编程只读存储器E2 PROM是一种可用电气方法在线擦除和再编程的只读存储器，它既有RAM可读可改写的特性，又具有非易失性存储器ROM在掉电后仍能保持所存储数据的优点。因此，E2 PROM在单片机存储器扩展中，可以用作程序存储器，也可以用作数据存储器，至于具体做什么使用，由硬件电路确定。

E2 PROM作为程序存储器使用时，CPU读取E2 PROM数据同读取一般EPROM操作相同；但E2 PROM的写入时间较长，必须用软件或硬件来检测写入周期。

【例6-2】　在8031单片机上扩展2KB E2 PROM。

解　1）选择芯片。2816A和2817A均属于5V电擦除可编程只读存储器，其容量都是2K×8位。2816A与2817A的不同之处在于：2816A的写入时间为9～15ms，完全由软件延时控制，与硬件电路无关；2817A利用硬件引脚来检测写操作是否完成。

在此，选用2817 A芯片来完成扩展2 KB E2 PROM，2817A的封装是DIP28、采用单一＋5V供电，最大工作电流为150m A，维持电流为55m A，读出时间最大为250ns。片内设有编程所需的高压脉冲产生电路，无需外加编程电源和写入脉冲即可工作。2817 A在写入一个字节的指令码或数据之前，自动地对所要写入的单元进行擦除，因而无需进行专门的字节/芯片擦除操作。2817A的管脚如图6-19所示。其中，A0～A10为地址线；I/O0～I/O7为读写数据线；CE为片选线；为读允许线，低电平有效；为写允许线，低电平有效；为低电平时，表示2817A正在写操作，处于忙状态，高电平时，表示写操作完毕；VCC为＋5V电源：GND为接地端。

图6-19　2817A的管脚

2817A的读操作与普通EPROM的读出相同，所不同的只是可以在线进行字节的写入。2817A的写入过程如下：CPU向2817A发出字节写入命令后，2817A便锁存地址、数据及控制信号，从而启动一次写操作。2817A的写入时间大约为16ms左右，在此期间，2817A的脚呈低电平，表示2817A正在进行写操作，此时它的数据总线呈高阻状态，因而允许CPU在此期间执行其他的任务。当一次字节写入操作完毕，2817A便将线置位，由此来通知CPU。