单片机与存储器接口电路设计Word文档格式.docx

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1、2、学习简单电路系统设计，掌握Protel99的使用方法；

1、3、掌握单片机、存储器的应用；

1、4、学习掌握硬件电路设计的全过程。

2、1、设计内容

对8051单片机实现外扩16KBRAM，采用两片6264作外扩RAM；

2、2、设计要求

2、2、1、学习掌握单片机及静态存储器SRAM的工作原理及应用；

2、2、2、熟练掌握应用Protel99设计原理图及制作PCB图的过程；

2、2、3、整理设计内容，编写设计说明书。

3、设计方案

3、1、设计思路

3、1、1、外部存储器的扩展

外部数据存储器的扩展方法及时序

扩展外部RAM电路原理图

读外部数据RAM时序

写外部数据RAM时序

3、1、2、静态RAM6264扩展

6264是8K×

8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。

3、1、3、地址空间的分配

地址空间的分配，实际是16位地址线的具体安排与分配，是应用系统统硬件设计中至关重要的一个问题。

它与外部扩展的存储器容量及数量、功能接口芯片部件的数量等等有关，必须综合考虑，合理分配。

在外部扩展多片存储和功能部件接口芯片时，主机通过地址总线发出的地址是用来选择某一个存储单元或某一个功能部件接口芯片（或芯片中的某一个寄存器）的。

要完成这一功能，必须进行两种选择：

一是必须选择出指定的芯片（称之为片选）；

二是必须选择出该芯片的某一个存储单元。

第二种选择由地址总线来完成，现在讨论第一种选择，即选中该芯片。

通常有两种片选的方法：

线选法和译码法。

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。

例如，单片机外扩二块6264RAM，6264只有13根地址线，还有三根是多余的，这三根线就可以用来作为片选使用，将其中的A13接第一片6264的

，而A14接第二片6264的

，可以分析一下两块芯片的地址。

由于芯片规定，

端为0芯片就能被选中，所以第一片芯片的地址可以是

A15A14A13A12……A0

110×

………×

其中X是接于6264芯片的地址引脚上的值，可以是0也可以是1，因此，这一块芯片的地址就是从1100000000000000~1101111111111111，也就是C000H~DFFFH这一段空间，而第二块芯片的地址则可以是

101×

即这一块芯片的地址可以是1010000000000000~1011111111111111，也就是A000H-BFFFH。

第一块芯片的地址也可以是从C000H-DFFFH：

010×

如果用0100000000000000~0101111111111111即4000H-5FFFH来访问第一块6264也是可以的，而第二块6264也可以用2000H-3FFFH来访问，也说是说一个芯片有多个地址与其相对应。

那么如果把第一块芯片的地址这样定：

100×

如果只有一块芯片，这也是没有问题的，但这里有两块芯片，如果A13为0的同时A14也为0，则必然会在选中第一块芯片时，也选中第二块芯片，这就会造成冲突，也就是说如果这样定地址的话，就人为造成了同时选中两块芯片的情况，这是不允许的。

从上面的分析中可以看出，线选法会使得一块芯片拥有多组地址，这实际上意味着这些地址空间被浪费掉了，不能够使用了。

以上面例子而言，只有3根（A13、A14、A15）地址线可以用于片选，所以只能扩展3片6264芯片，也就是只能够扩展到3*8=24K的RAM空间，采用这种芯片就没有办法扩展更多的RAM了。

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。

译码法必须要采用译码芯片，常用的译码芯片有74LS138、74LS139等。

3、2、4、中介绍了74LS138的工作原理。

在上面的例子中，系统扩展了两片6264芯片，共用去地址线13根，还有3根地址线没有用，如果用译码法，就可以把这三根地址线分别接到74LS138的译码端，如将A15接A端，A14接B端，A13接C端，然后用译码器的输出端接6264的片选端，例如用Y0接到第一片6264，而用Y5接到第二片6264。

由于系统中只有一块74LS138，所以把G1接+5V，

、

则接地以选中该块芯片。

下面分析一下这样这法这两片6264的地址范围。

要选中第一片6264，就是要求Y0为0，查一下表，当Y0是0时，要求A、B、C均为0，因此，可以写出第一片6264的地址范围是:

ABC

000×

即从0000000000000000B~0001111111111111B，也就是0000H~1FFFFH。

第二片6264的片先端是接的Y5，逆查表格可以看到，要Y5等于0，就是要求A=1、B=0、C=1，同样可以写出第二片的地址范围是：

即第二片的地址范围是1010000000000000~1011111111111111，也就是A000H~BFFFH。

由于一块74LS138有8个输出端，这里只用了两个，所以还可以再接6个，因此，采用这种方法可以扩展的地址空间是8K×

8=64K，即能够利用全部的64K空间。

如果所用的芯片是2K的，如6116，那么就只需要用到11根地址线，也就是有5根高位的地址线是空余的，这时再用74LS138进行扩展也会出现地址重叠的现象，比如，将A13，A12和A11接到一片74LS138的A，B，C三个输入端，那么第一个输出Y0对应的地址就可以是：

A15A14A13A12A11A10……A0

11000×

即地址范围是1100000000000000~1100011111111111，也就是C000H~C7FFH。

很容易想到，并非一定要规定A15A14是1，也可以是0，所以实际上Y0对应的有四段地址，分别是0000000000000000~0000011111111111（0000H~07FFH）、0100000000000000~0100011111111111（4000H~47FFH）、8000H~87FFH和C000H~C7FFH。

同样，其余的每一个输出端也会对应4段地址，事实上，由于一片74LS138只有8个输出端，而每一个输出端接的是一片2K的芯片，所以用一片74LS138芯片只能译出2K×

8即16K的地址。

在用一片74LS138不能译出所有的地址的情况下，可以使用多块74LS138进行译码，利用该芯片的片选端进行控制，例如在这个系统中可以扩展两块74LS138芯片，把A15（P2.7）接第一块74LS138的G1端，把A14（P2.6）接第二块74LS138的G1端，这样一共就有16个输出端（8×

2），作为练习，可以自己写出这16个输出端所对应的地址段。

需要说明的是，如果实际的系统中并不需要扩展很多芯片，那么就没有必要把所有的码都译出来——重叠就重叠吧。

3、2、工作原理及硬件框图

3、2、1、单片机系统的工作原理

单片机的40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

⒈电源:

⑴VCC-芯片电源，接+5V；

⑵VSS-接地端；

⒉时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊控制线:

控制线共有4根，

⑴ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵PSEN:

外ROM读选通信号。

⑶RST/VPD:

复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

⑷EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①EA功能：

内外ROM选择端。

②Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

⒋I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

51单片机引脚图及引脚功能

3、2、2、6264芯片引脚和内部结构

6264是一种8K×

8的静态存储器，其内部组成如图（a）所示，主要包括512×

128的存储器矩阵、行／列地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。

地址线13位，其中A12～A3用于行地址译码，A2～A0和A10用于列地址译码。

在存储器读周期，选中单元的8位数据经列I/O控制电路输出；

在存储器写周期，外部8位数据经输入数据控制电路和列I／O控制电路，写入到所选中的单元中。

6264有28个引脚，如图（b）所示，采用双列直插式结构，使用单一＋5V电源。

其引脚功能如下：

6264的内部结构图及引脚图

6264芯片

　　1、6264的特性及引脚信号

　　6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造

　　A12～A0（addressinputs）：

地址线，可寻址8KB的存储空间。

　　D7～D0（databus）：

数据线，双向，三态。

（outputenable）：

读出允许信号，输入，低电平有效。

（writeenable）：

写允许信号，输入，低电平有效。

（chipenable）：

片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。

　　CE2（chipenable）：

片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。

　　VCC：

+5V工作电压。

GND：

信号地。

2、6264的操作方式

　　6264的操作方式由

CE2的共同作用决定

　　①写入：

当

和

为低电平，且

和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的存储单元。

　　②读出：

和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。

③保持：

为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。

3、2、3、74LS373引脚图内部结构原理图和电路连接图

单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚图与结构原理图、电路连接图如下：

<

74LS373引脚图内部结构原理图电路连接图>

E

G

功　　能

直通Qi=Di

1

保持（Qi保持不变）

X

输出高阻

74LS373功能表>

EGDQ

LHHH

LHLL

LLXQ

上表是74LS373的真值表，表中：

L——低电平；

H——高电平；

X——不定态；

Q0——建立稳态前Q的电平；

G——输入端，与8031ALE连高电平：

畅通无阻低电平：

关门锁存。

图中OE——使能端，接地。

当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；

当G为下降沿时，将输入数据锁存。

3、2、4、74ls138芯片功能

74LS138为3线－8线译码器，式，其工作原理如下：

当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为

低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低

电平译出。

利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；

若外接一个反

相器还可级联扩展成32线译码器。

若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

封装，引脚图

真值表略

3、3、硬件电路原理图

3、4、PCB版图设计

4、课程设计总结

单片机芯片内部集成了计算机的基本功能部件，实际应用中，对小型的测控系统已经足够，对较大的应用系统片内资源不足够，需扩展一些外围芯片，以达应用需求。

本课程就存储器的接口设计为出发点考察对单片机的系统扩展的理解和掌握。

单片机与存储器接口电路的设计相对比较容易，课程加强了设计者对用到的单片机知识的学习和实践。

从单片机的基本结构原理出发，学习单片机的功能和应用；

同时，研究和操作单片机，有利于提出更高的工作要求进而对其进行性能改进，不断满足工业生活科技等的需求。

学会使用单片机，离不开数电模电知识的掌握，需用到PROTEL等软件进行绘制电路，模拟仿真。

在学习的过程中，要有完善的思路，对电子系统要有科学合理的设计方法。

课程设计，提高学生提出问题、解决问题的能力，从根本上培养了设计者的认知水平，让课余生活变得丰富多彩，使每位学生感受到科学创造的价值和魅力。

5、参考文献

（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：

高等教育出版社，2002

（2）张建华．数字电子技术．北京：

机械工业出版社，2004

（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：

机械工业出版社，2005

（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：

（5）潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：

西安电子科技大学出版社，2002（6）张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：

航空工业出版社，2004