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1、单片微型计算机原理与应用,主讲教师：凌宏江华中科技大学材料学院,材料学院本科生用电子教案2012-2013学年第一学期,材料学院 单片微型计算机原理与应用,2,目 录,第一章 概述第二章 MCS-51的内部结构第三章 MCS-51的指令系统第四章 汇编语言程序设计第五章 存储器及扩展技术第六章 中断系统第七章 I/O口扩展及应用第八章 定时器/计数器第九章 串行通信及其接口 第十章 A/D和D/A转换器接口第十一章 显示器、键盘、打印机接口,材料学院 单片微型计算机原理与应用,3,第五章 存储器及扩展技术,存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包
2、括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为外部存储器和内部存储器。按使用功能可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,4,5.1 半导体存储器的分类,材料学院 单片微型计算机原理与应用,5,5.1.1 随机存取存储器（RAM）,RAM（随机存取存储器）-Random Access Memory 随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其
3、存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。1.双极型：TTL组成基本存储单元，存取速度快；2.MOS型：CMOS组成基本存储单元，高集成度、低功耗；静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失性RAM（NVRAM）,材料学院 单片微型计算机原理与应用,6,1.静、动态存储电路基本单元,材料学院 单片微型计算机原理与应用,7,2.静、动态存储器性能对比,1静态存储单元（SRAM）存储原理：由触发器存储数据 单元结构：六管NMOS或OS构成 优点：速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低；常用作Cache 缺点：元件数多、集成度低、功耗大 常用的SRAM集成芯片：6116(2K8位)，626
4、4(8K8位)，62256(32K8位)，2114(1K4位)2动态存储单元（DRAM）存贮原理：利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理，需刷新刷新(再生)：为及时补充漏掉的电荷以避免存储的信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷的操作 刷新时间：定期进行刷新操作的时间。该时间必须小于栅极电容自然保持信息的时间（小于2ms）。优点：集成度远高于SRAM、功耗低，价格也低 缺点：因需刷新而使外围电路复杂；刷新也使存取速度较SRAM慢，所以在计算机中，DRAM常用于作主存储器。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,8,3.静态存储器结构框图,存储体存储单元的集合体。它由若干个存储单元组成，每个存储单元
5、又由几个基本存储电路（或称存储元）组成，每个存储元存放一位二进制信息。通常，一个存储单元为一个子节，存放八位二进制信息。地址译码读写控制,材料学院 单片微型计算机原理与应用,9,存储器外部信号引线,D07数据线：传送存储单元内容，根数与单元数据位数相同。A0n地址线：选择芯片内部一个存储单元。n由存储器容量决定。CE片选线：选择存储器芯片。当CS信号无效，其他信号线不起作用。OE/WE读写允许线：打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时刻。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,10,4.常用SRAM一览表,材料学院 单片微型计算机原理与应用,11,5.1.2 只读存储器（ROM）,工作时，RO
6、M中的信息只能读出，要用特殊方式写入(固化信息)，失电后可保持信息不丢失。1.掩模工艺ROM：不可改写ROM。由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道工序用掩膜工艺写入信息，用户只可读。2.可编程ROM（PROM）：用户可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。3.紫外线擦除可改写ROM（EPROM）：用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的PN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。4.电擦除可改写ROM（EEPROM或E2PROM）：既可全片擦除也可字节擦除，可在线
7、擦除信息，又能失电保存信息，具备RAM、ROM的优点。但写入时间较长。5.快擦写ROM（flash ROM）,材料学院 单片微型计算机原理与应用,12,1.EPROM,单片机内部没有ROM，或虽有ROM但容量太小时，必须扩展外部程序存储器方能工作。最常用的ROM器件是EPROM。如:2716(4K),2764(8K),27128(16K),27256(32K),27512(64K),材料学院 单片微型计算机原理与应用,13,2.引脚介绍,A0-Ai：地址输入线D0-D7：三态数据线CE：片选线低电平有效PGM：编程脉冲输入线OE：读信号，低电平有效VPP：编程电源输入线VCC：电源线GND：电
8、源地,材料学院 单片微型计算机原理与应用,14,5.1.3 存储器的主要性能指标,1.存贮容量 2.存取时间 3.接口类型 4.可靠性、功耗,材料学院 单片微型计算机原理与应用,15,5.2 存储器的扩展,用单片机组成应用系统时，首先要考虑单片机所具有的各种功能能否满足应用系统的要求。如能满足，则称这样的系统为最小应用系统。图(a)为MCS51系列中8051和8751单片机的最小系统。图(b)为由8031、8032单片机组成的最小系统。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,16,5.2.1 三总线结构,为了使单片机能方便地与各种扩展芯片连接，应将单片机的外部连接变为一般的微型机三总线结构形式。
9、即地址总线、数据总线和控制总线。对MCS51系列单片机，其三总线由下列通道口的引线组成：地址总线：由P2口提供高8位地址线(A8-A15)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。由于P0口是地址、数据分时使用的通道口，所以为保存地址信息，需外加地址锁存器锁存低8位的地址信息。一般都用ALE正脉冲信号的下降沿控制锁存时刻。数据总线：由P0口提供。此口是双向、输入三态控制的通道口。控制总线：扩展系统时常用的控制信号为地址锁存信号ALE，片外程序存储器取指信号以及数据存储器RAM和外设接口共用的读写控制信号等。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,17,单片机扩展成三总线的
10、结构图,扩展芯片与主机相连的方法同一般三总线结构的微处理机完全一样。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,18,5.2.2 访问外部程序、数据存储器的时序,1.访问外部程序存储器时序（1）在S1P2时刻产生ALE信号。（2）由P0、P2口送出16位地址，由于P0口送出的低8位地址只保持到S2P2，所以要利用ALE的下降沿信号将P0口送出的低8位地址信号锁存到地址锁存器中。而P2口送出的高8位地址在整个读指令的过程中都有效，因此不需要对其进行锁存。从S2P2起，ALE信号失效。（3）从S3P1开始，开始有效，对外部程序存储器进行读操作，将选中的单元中的指令代码从P0口读入，S4P2时刻，失效。（
11、4）从S4P2后开始第二次读入，过程与第一次相似。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,19,2.访问外部数据存储器时序,材料学院 单片微型计算机原理与应用,20,5.2.3 80C51与存储器的线路连接,材料学院 单片微型计算机原理与应用,21,1.线选法,微型机剩余高位地址总线直接连接各存储器片选线。连线简单、地址不连续、存在地址重叠。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,22,线选方式地址分配表,材料学院 单片微型计算机原理与应用,23,2.译码法,所谓译码法就是使用译码器对系统的高位地址进行译码，以其译码输出作为存储芯片的片选信号。这是一种最常用的存储器编址方法，能有效地利用空间，特点
12、是存储空间连续，适用于大容量多芯片存储器扩展。常用的译码芯片有：74LS139（双24译码器）和74LS138（38译码器）等，它们的CMOS型芯片分别是74HC139和74HC138。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,24,【例】,现有2K*8位存储器芯片，需扩展8K*8位存储结构采用译码法进行扩展。扩展8KB的存储器结构需2KB的存储器芯片4块。2K的存储器所用的地址线为A0A10共11根地址线和片选信号与CPU的连接如表。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,25,P2.3、P2.4作为二-四译码器的译码地址，译码输出作为扩展4个存储器芯片的片选信号，P2.5、P2.6、P2.7悬空
13、。扩展连线图如图所示。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,26,四个芯片的地址分配,材料学院 单片微型计算机原理与应用,27,5.3 程序存储器(EPROM)的扩展,1.程序存储器扩展使用的典型芯片 以2764作为单片机程序存储器扩展的典型芯片为例进行说明 1)2764的引线 2764是一块8K8bit的EPROM芯片，其管脚图如图所示 A12A0:13位地址信号输入线，说明芯片的容量为8KB D7D0:8位数据，表明芯片的每个存贮单元存放一个字节（8位二进制数）。CE:片选信号。当它有效低电平时，能选中该芯片，故又称为选片信号。OE:输出允许信号。当OE为低电平时，芯片中的数据可由D7D0
14、输出。PGM:编程脉冲输入端。当对EPROM编程时，由此加入编程脉冲。读时PGM为高电平。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,28,2.2764的连接使用,材料学院 单片微型计算机原理与应用,29,5.4 数据存储器的扩展,5.4.1 数据存储器的扩展概述 单片机与数据存储器的连接方法和程序存储器连接方法大致相同，简述如下：1.地址线的连接，与程序存储器连法相同。2.数据线的连接，与程序存储器连法相同。3.控制线的连接，主要有下列控制信号：存储器输出信号和单片机读信号相连即和P3.7相连。存储器写信号和单片机写信号相连即和P3.6相连。ALE：其连接方法与程序存储器相同。,材料学院 单片微型
15、计算机原理与应用,30,使用时应注意，访问内部或外部数据存储器时，应分别使用MOV及MOVX指令。外部数据存储器通常设置二个数据区：（1）低8位地址线寻址的外部数据区。此区域寻址空间为256个字节。CPU可以使用下列读写指令来访问此存贮区。读存储器数据指令：MOVXA，R 写存储器数据指令：MOVXR，A由于8位寻址指令占字节少，程序运行速度快，所以经常采用。（2）6位地址线寻址的外部数据区。当外部RAM容量较大，要访问RAM地址空间大于256个字节时，则要采用如下16位寻址指令。读存储器数据指令：MOVXA，DPTR 写存储器数据指令：MOVXDPTR，A 由于DPTR为16位的地址指针，故
16、可寻址64KRAM字节单元,材料学院 单片微型计算机原理与应用,31,5.4.2 数据存储器扩展使用的典型芯片,1数据存储器SRAM芯片 数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是Intel公 司的6116容量为2KB和6264容量为8KB。该芯片的主要引脚为：A12A0:13根地址线，说明芯片的容量为8KB。D7D0:8根数据线 CE1、CE2:片选信号。当为CE1为低电平，CE2为高电平时，选中该芯片。OE:输出允许信号。当OE为低电平时，芯片中的数据可由D7D0输出。WE为数据写信号。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,32,2.单片数据存储器扩展的硬件连接,材料学院 单片微型计算机原理与应用,33,3.多片数据存储器扩展,用4片6116进行8KB数据存储器扩展，用译码法实现。,材料学院 单片微型计算机原理与应用,34,多片RAM扩展连线图,
