STC 8051单片机扩展SRAM介绍、使用以及配置

总述

STC8051系列单片机中很多具有内部扩展的数据存储器SRAM（单片机内部的RAM一般都是SRAM，区别于SDRAM，下面叙述中的RAM，即表示SRAM），所谓的内部扩展RAM，即是说在基本型的8051基础上扩展数据存储空间。从逻辑上来说，扩展的RAM空间应该是在芯片外部通过外部总线读取的，但从物理上看却又是在芯片内部的，一定数目的RAM空间被集成到了单片机内部，从而扩大了单片机的RAM。

片内RAM介绍以及使用

STC系列单片机内部RAM及其可扩展情况如下图1所示：

图1

Idata空间表示单片机自身具有的基础RAM，xdata即是STC额外扩展的位于芯片内部的RAM。Idata和xdata所代表的意思即是是说数据到底是在片内的低256字节还是扩展的RAM地址上。

在程序中可以通过在类型后面声明来指定位置，如果不声明的话，数据存放的默认位置和编译器的SRAM编译设置有关。（此点后面介绍）。

Eg:

Unsigned char idata a;//定义一个uchar型变量，将会在程序运行时，被分配到低256或128字节的RAM上去

Unsigned int xdata b;//定义一个uint型变量，程序运行建立该变量时，将会被指定到扩展的RAM区域去。

这儿注意，STC的单片机只有40个引脚以上的才可以进行片外RAM扩展，最多支持片外字节地址为64KB。

其实，低256字节的RAM空间也并不是全部能通用访问的，其中还有工作组寄存器，堆栈指针寄存器，SFRs等，大体分布如图2，这些都是很多8051书上讲得很详细了，这里就不再赘述。

图2

STC8051的内部RAM计量方法是：标称RAM=集成RAM+扩展RAM。例如：stc15f2k60s2,内部具有2K的ram,这2K的RAM其实是由256字节的集成RAM和1792字节的扩展RAM构成的。在Keil中开发时，如果需要使用超过256字节的RAM，则应该在Keil的工程Option中设置MemoryModel为：Large:Variables in XDATA.，并勾选”use on-chip XRAM选项”（如图3所示），这样在代码中默认声明的变量即为xdata型变量，如果要使用集成RAM那部分空间，还需要额外声明idata.

图3

以上为STC 8051单片机的一般性RAM使用方法。接下来说一下STC单片机片外扩展RAM的使用和设置方法。

 片外扩展RAM介绍以及使用

在工程中，我们可能遇到需要较大的数据暂存空间的情况，这个时候内部的2K、4K RAM就完全不够用了。使用单片机内部自带的EEPROM或Flash存储空间不失为一种方法，不过存在擦写次数有限和操作周期长的问题，在某些对实时性要求较高的场合，会耽误MCU对其它任务的处理。

 1）硬件连接

这儿先来介绍下STC单片机扩展片外RAM的物理连接方式：通过使用P0、P2端口来进行地址、数据传输，其中P0口为数据/地址复用端口，并通过锁存芯片进行地址锁存。其他使用的信号还包括：ALE(P4.5)，用于控制P0口连接的数据/地址数据线的锁存芯片，RD(P4.4)和WR(P4.2)用于对RAM存储芯片进行读写指示。具体的连接示例如图4所示：

图4

 

STC单片机片外扩展RAM空间的逻辑地址最大支持64Kbyte,此64KB是指除了单片机内部基本的256字节之外能扩展的地址，所以如果单片机内部进行了RAM扩展，使用了一部分地址，那么片外扩展的存储芯片地址就不一定能全部使用。

例如：stc15f2K60s2,如果同时使用内部和外部扩展的RAM空间地址，那么扩展的片外RAM空间最多只能访问：64k-(2k-256)=62.75k个字节地址了。

 2）片外RAM编程使用介绍以及工程设置

根据STC手册，控制是否使用内部扩展的RAM决定于AUXR寄存器的EXTRAM位。当该位为1，则不使用单片机内部扩展的RAM，而直接使用片外扩展的RAM。所以如果此时外部扩展了一片64K字节的RAM芯片，那该RAM芯片的所有地址都是可以访问到的。如果该位为0，则内部扩展的RAM和片外扩展的RAM都会使用，扩展地址总和同样是64K，但由于单片机内部扩展的RAM使用了一部分扩展地址，所以此时所能使用到的片外RAM 空间为64K与内部扩展RAM地址空间的差值了。如图5

 

在EXTRAM为0情况下，STC单片机会首先使用内部扩展RAM，当地址超过了内部扩展RAM地址时，会自动地使用外部RAM的，这就不用我们操心了。（STC 单片机复位时，EXTRAM位为0，即默认是内部和外部扩展RAM都会使用的。）

图5

 

同时，要使用片外的扩展RAM，在Keil中同样要进行相应的设置，指定外部RAM的起始字节地址以及大小。如图6所示：

图6

 

我实际使用的是 STC15F2K60S2（2K RAM，60K ROM）型单片机并使用32KByte的RAM芯片进行片外扩展，起始地址Start由图6可以看出是：0x0700。这个起始地址是这样计算的：2K(2048)-256=1792=0x0700，这就是片外扩展的RAM起始地址。空间大小Size由图6可以看出是：0x7D00,计算过程为：32K=32*1024=32768=0x8000.这样就完成了Keil中使用片外扩展RAM的配置。

 

我在程序中如此定义一个变量：

#define DATA_NUM               32768

uchar xdata P_rBuff1[DATA_NUM];

其它还有一些定义的idata和xdata变量。

Keil中程序编译结果如图7：

 

图7

程序经过测试，也能正常运行。

 3）片外RAM访问时序和速度介绍

最后还有一点，STC15系列还有一个特殊功能寄存器(SFR)专门用于控制外部64K数据总线速度:BUS_SPEED。该寄存器的低两位：EXRTS[1:0]可以控制片外RAM访问动作的建立、保持、读或写所需的CPU时钟周期。

 

众所周知的是，片外RAM访问，时序大致分这样几个阶段：地址数据建立、地址数据保持（MCU的ALE管脚控制锁存地址数据）、数据的读或写。如图8所示：

图8

 

所以访问外部的RAM所需要的时钟周期也至少是这几部分动作的周期和，再加上额外的一些CPU跳转周期。而BUS_SPEED就是控制这些动作所需持续的时间的。

 

所以该寄存器数值和访问速度关系如图9所示：

图9

图9中两条MOVX命令都是访问片外RAM的，只是前者是访问片外RAM 8位地址，后者是访问片外RAM 16位地址，差别仅为一个周期，所以不用过多纠结此处。

接下来请看图10和图11：

图10

图11

 

图10是读写片内扩展RAM所需时钟周期，图11是读写片外扩展RAM(BUS_SPEED已设置为最快速度)所需时钟周期。8位的读写也是与此类似的。从对比中我们可以知道，片外扩展的RAM访问所需时间是片内扩展RAM所需时间的2~3倍。所以即便是在考虑使用片外扩展的RAM，也要注意其存取速度是否能够满足要求。另外还要考虑的是存储芯片的数据信号跳变所需时间。

结束

STC51单片机作为国产的8位51系列增强型单片机，使用起来的性价比还是不错的，入手也很简单，其功能还是能够满足一般的开发应用的。但同时也存在一些功能还不够好的，如UART。使用手册的一些介绍也不够详细。要在芯片制造领域达到比较先进的水准，还是需要多静下来研究的，我们也会在STC51能够胜任的条件下优先选择STC51,支持本土芯片的发展。