单片机内部资源分配
2.3 单片机内部资源分配
2.3.1 MCS-51存储器空间
MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：
片内程序存储器（ROM）
片外程序存储器（外扩）
片内数据存储器（RAM）
片外数据存储器（外扩）
但在逻辑上，即从用户的角度上（地址分配），8051单片机有三个存储编址空间，即：片内程序存储器、片外程序存储器统一编址的64KB（26*210=65536个单元）的程序存储器地址空间（C：）、256B（8位地址）的片内数据存储器的地址空间（D：）以及64KB（216）片外数据存储器的地址空间（X：）。在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。
在MCS-51单片机的芯片内部，主要有RAM和ROM两类存储器，即所谓的片内RAM和片内ROM。
1、片内数据存储器区（RAM）
8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256（28）个单元按其功能划分为两部分：低128（0~127）单元（单元地址为00H～7FH）和高128（128~255）单元（单元地址为80H～FFH）。表2.2所示为低128字节单元的配置情况。
低128单元是单片机的真正RAM存储器，按用途划分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。
表2.2 低128字节单元的配置
30~7FH 数据缓冲区
20~2FH 位寻址区（00~7FH）
18~1FH 工作寄存器组3（R0~R7）
10~17H 工作寄存器组2（R0~R7）
08~0FH 工作寄存器组1（R0~R7）
00~07H 工作寄存器组0（R0~R7）
（1）工作寄存器区
8051共有4组工作寄存器，每组8个寄存单元，各组都以R0～R7作寄存单元名称。工作寄存器常用于存放操作数中间结果等。由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为工作寄存器，有时也叫通用寄存器。4组工作寄存器占据内部RAM的00H～1FH共32个单元地址。
在任何时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1（D4）、RS0（D3）位的状态组合来决定。
（2）位寻址区（只有位寻址区的位可单独访问，其余的单元均只能按字节为单位访问）
内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM字节单元使用，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，每一位都有独立的位地址，其范围为00H～7FH。MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。表2.3为位寻址区的位地址。
表2.3 片内RAM位寻址区的位地址
字节地址
位地址
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
2FH 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78
2EH 77 76 75 74 73 72 71 70
2DH 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68
2CH 67 66 65 64 63 62 61 60
2BH 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58
2AH 57 56 55 54 53 52 51 50
29H 4F 4E 4D 4C 4B 4A 49 48
28H 47 46 45 44 43 42 41 40
27H 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38
26H 37 36 35 34 33 32 31 30
25H 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28
24H 27 26 25 24 23 22 21 20
23H 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18
22H 17 16 15 14 13 12 11 10
21H 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08
20H 07 06 05 04 03 02 01 00 （3）用户RAM区
在内部RAM低128单元中，工作寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H～7FH（堆栈区）。
2、特殊功能寄存器区（SFR）
内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～0FFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特殊功能寄存器，简称为SFR。在51系列单片机中，共有21个特殊功能寄存器，它们零散地分布在80H~0FFH的地址空间，如
表2.4 特殊功能寄存器
名称位名称单元地址
P0 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 80H(128)
SP 81H(129) DPL 82H(130) DPH 83H(131) PCON SMOD 87H(135) TCON TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 88H(136) TMOD GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 89H(137) TL0 8AH(138) TL1 8BH(139) TH0 8CH(140) TH1 8DH(141)
P1 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 90H(144) SCON RI TI 98H(152) SBUF 99H(153)
P2 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 0A0H(160) IE EA - ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 0A8H(168) P3 RD WR T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD 0B0H(176) IP - - - PS PT1 PX1 PT0 PX0 0B8H(184) PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV - P 0D0H(208) ACC 0E0H(224)
B 0F0H(240)
在这21个特殊功能寄存器中，有些是可以位寻址的，凡是字节地址数能够被8整除的SFR均可位寻址，该寄存器第0位的位地址与寄存器地址相同，且位地址是是连续的。
单片机的21个特殊功能寄存器在单片机复位时（默认值），除SP的值为“07H”，P0、P1、P2及P3的值为“0FFH”（1111 1111B）外，其它寄存器的值基本上都是“0”，这点在使用时一定要注意。
软件是跟着硬件走的。
关于特殊功能寄存器的用法，在以后章节中陆续会介绍，这里只介绍几个关键的寄存器。
（1）程序状态字（PSW）。
程序状态字(program state word)是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行情况，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用指令设置，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据PSW中专用位的状态，进行条件转移。PSW的各位定义如表2.5所示。
表2.5 程序状态字PSW各位的名称
位序D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
CY AC F0 RS1 RS0 OV - P
位名
称
除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下：
CY（PSW.7）——进位标志位。CY是PSW中最常用的标志位。其功能有二：一是存放算术运算的进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”；二是在位操作中，作累加位使用。如位传送、位运算及位判断等位操作。
AC（PSW.6）——辅助进位标志位。在进行加减运算中，当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置“1”，否则AC位被清“0”。在BCD码调整中也要用到AC位。
F0（PSW.5）——用户标志位。这是一个供用户定义的标志位，需要利用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。
RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）——工作寄存器组选择位。它们被用于选择CPU当前使用的工作寄存器组。通用寄存器共有4组，其对应关系如表2.6所示：
表2.6 当前寄存器组的设定
RS1 RS0 所选的4组寄存器
0 0 0组（内部RAM地址
00H～07H）
0 1 1组（内部RAM地址
08H～0FH）
1 0 2组（内部RAM地址
10H～17H）
1 1 3组（内部RAM地址
18H～1FH）
这两个选择位的状态是由软件设置的，被选中的寄存器组即为当前工作寄存器组。但当单片机上电或复位后，RS1 RS0=00。
OV（PSW.2）——溢出标志位。在对有符号数进行加减运算中，OV=1表示算超出了累加器A所能表示的有符号数的范围（-128～+127），即产生了溢出，因此运算结果是错误的，否则，OV=0表示结果正确，即无溢出产生。
在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中，否则，OV=0，表示乘积只放在A中。
在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行，否则，OV=0，除数不为0，除法可正常进行。
P（PSW.0）——奇偶标志位。表明累加器ACC中数据的奇偶性。如果ACC 中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”。凡是改变累加器ACC中内容的指令均会影响P标志位。
此标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义。在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。
（2）堆栈指针（SP）。（队列）（内容里的内容）
堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。有序操作，即按地址序号进行操作。每往栈区存放一个数，即进栈，SP会自动加1；每出一次栈，SP会自动减1。进栈和出栈操作的单元就是由SP所指向的片内RAM单元。
由于MCS-51单片机的堆栈设在内部RAM中，因此SP是一个8位寄存器（地址）。系统复位后，SP的内容为07H，从而使堆栈从08H单元开始。但08H～1FH单元分别属于工作寄存器的1～3区，如程序要用到这些区，最好把SP值改为1FH或更大。一般在内部RAM的30H～7FH单元中开辟堆栈。SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来，由于SP可以通过指令修改内容，因此堆栈位置是浮动的。
（3）程序计数器（PC）（程序指针）
计算机的工作过程就是执行程序的过程，我们每个人可能都有这种感觉：在同一台计算机中，对于一个大的软件其执行速度会很“慢”而小的软件执行速度会很“快”，为什么？原因在于：计算机程序是由一条条指令组成的，而计算机是把程序分解成指令来执行的，即同一时刻只执行一条指令，而指令一般是在存储器中存放，却要在CPU中执行，这样就牵扯到在执行每条指令前，首先要将指令从存储器取到CPU中，这个过程称为“取指”，然后再执行。在CPU中有个专门负责寻找所取指令单元地址的部件，称为PC，也叫程序指针，即PC中存放的是下一条将要执行的指令所在存储器单元的地址值，它的作用是用来找到所取指令的地址，以供CPU（PSEN）读取，CPU每执行完一个指令，就会自动改变PC 的值，即令PC=PC+1，从而使其指向下一条指令的地址。在MCS-51单片机中，PC的长度是16位的，且是不可寻址的。高速而有条不紊的按顺序一步步执行程序的。（跳转例外）（选择，循环）
复位的本质即令PC=0。
（4）外部数据指针（DPTR）（a=*DPTR）
DPTR为16位地址寄存器，主要用于访问外部RAM单元（64KB），其中地址高8位存于DPH，地址低8位存于DPL。所有的外部数据存储器都要由DPTR 指引访问。
（5）累加器（ACC）
ACC是最常用的专用寄存器，在算术运算时用于提供被操作数和存放运算结果，直接与内部总线相连。另外，单片机中的一般信息传递和交换都要通过ACC。类似于a=a+b;
对专用寄存器问题作如下几点补充说明：
1）21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。
2）程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。
3）对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器名称。
2.3.2 MCS-51片内程序存储器
MCS-51的程序存储器用于存放用户程序和表格常数。8051片内有4KB的ROM，8751片内有4KB的EPROM，8031片内无程序存储器。MCS-51的片外最多能扩展64KB程序存储器，且片内外的ROM是统一编址的。二者主要由EA（31）引脚来进行区分的，如EA端外接高电平时，8051的程序计数器PC 在0000H～0FFFH地址范围内（即前4KB地址）寻址，执行片内ROM中的程序，当PC在1000H～FFFFH地址范围时，自动执行片外程序存储器中的程序；当EA外接低电平时，只能寻址外部程序存储器，片外存储器可以从0000H开始编址。
MCS-51的程序存储器中有些单元具有特殊功能，使用时应予以注意。
其中一组是0000H～0002H单元。系统复位后，（PC）=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序，因此系统主程序一般要从0号单元入口。如果主程序不是从0000H单元开始存放，应在0000H单元添加一条能够跳转到主程序所在位置的无条件转移指令，以便一开机就能执行到系统主程序。
还有一组特殊单元是0003H～002AH，共40个单元。这40个单元被均匀地分为5段，作为单片机5个中断源的中断服务程序入口地址区。
0003H～000AH：外部中断INT0中断地址区
000BH～0012H：定时/计数器T0中断地址区
0013H～001AH：外部中断INT1中断地址区001BH～0022H：定时/计数器T1中断地址区0023H～002AH：串行中断地址区
8051单片机的内部结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心 部件，是8位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据或代码，CPU负责控制、 指挥和调度整个单元系统协调的工作，完 成运算和控制输入输出功能等操作。 ·数据存储器(RAM)： 8051内部有128个8位用户数据存储 单元和128个专用寄存器单元，它们是统 一编址的，专用寄存器只能用于存放控制 指令数据，用户只能访问，而不能用于存 放用户数据，所以，用户能使用的的RAM 只有128个，可存放读写的数据，运算的 中间结果或用户定义的字型表。 ·程序存储器(ROM)： 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 ·定时/计数器(ROM)： 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 ·并行输入输出(I/O)口： 8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 ·全双工串行口： 8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以 用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 ·中断系统： 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可 满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 ·时钟电路： 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051 单片机需外置振荡电容。
单片机内部主要部件
1.2 单片机内部主要部件 单片机内部电路比较复杂，MCS-51系列的8051型号单片机的内部电路根据功能可以分为CPU、RAM、ROM/EPROM、并行口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）等8个主要部件，如图1-2-1所示。这些部件通过片内的单一总线相连，采用CPU加外围芯片的结构模式，各个功能单元都采用特殊功能寄存器集中控制的方式。其他公司的51系列单片机与8051结构类似，只是根据用户需要增加了特殊的部件，如A/D转换器等。在设计程序过程中，寄存器的使用非常频繁。本节内容在了解单片机内部的组成机构基础上，重点介绍单片机内部常用的寄存器的作用。 图1-2-1 MCS-51架构 1.2.1中央处理器（CPU） 中央处理器是单片机的核心，主要功能是产生各种控制信号，根据程序中每一条指令的具体功能，控制寄存器和输入/输出端口的数据传送，进行数据的算术运算、逻辑运算以及位操作等处理。MCS-51系列单片机的CPU字长是8位，能处理8位二进制数或代码，也可处理一位二进制数据。单片机的CPU从功能上一般可以分为运算器和控制器两部分。 一、控制器 控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。其功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过定时电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。各部分功能部件简述如下。 1．程序计数器PC（Program Counter） 程序计数器是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。当CPU要取指令时，PC的内容送地址总线上，从存储器中去取出一个指令码后，PC 内容自动加1，指向下一个指令码，以保证程序按顺序执行。 PC是用来指示程序的执行位置，在顺序执行程序时，单片机每执行一条指令，PC就自动加1，以指示出下一条要取的指令的存储单元的16位地址。也就是说，CPU总是把PC 的内容作为地址，根据该地址从存储器中取出指令码或包含在指令中的操作数。因此，每当取完一个字节后，PC的内容自动加1，为取下一个字节做好准备。由于51系列单片机的寻址范围为64K，所以，PC中数据的编码范围为0000H～FFFFH，共64K。单片机上电或复位时，PC自动清0，即装入地址0000H，这就保证了单片机上电或复位后，程序从0000H 地址开始执行。
51单片机CPU的内部结构
51单片机CPU的内部结构 在前面的课程中，我们已知道了单片机内部有一个8位的CPU，同时知道了CPU 内部包含了运算器，控制器及若干寄存器。在这节课，我们就与大家一起来讨论一下51单片机CPU的内部结构及工作原理。 从上图中我们可以看到，在虚线框内的就是CPU的内部结构了，8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A （8位）、寄存器B（8位）、程序状态字PSW（8位）、程序计数器PC（有时也称为指令指针，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、数据寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令译码器ID、控制器等部件组成。 1、运算器（ALU）的主要功能 A）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是8位，半个字节就是4位）和单字节数据进行操作。 B）加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。 C）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。 D）位处理功能（即布尔处理器）。 由于ALU内部没有寄存器，参加运算的操作数，必须放在累加器A中。累加器A 也用于存放运算结果。 例如：执行指令 ADD A，B 执行这条指令时，累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU，寄存器B通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU，A+B的结果通过ALU的输出口Out、内部
数据总线，送回到累加器A。 2、程序计数器PC PC的作用是用来存放将要执行的指令地址，共16位，可对64K ROM直接寻址，PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。也就是说，程序执行到什么地方，程序计数器PC就指到哪里，它始终是跟蹿着程序的执行。我们知道，用户程序是存放在内部的ROM中的，我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来，然后到CPU中去执行，那么ROM具体执行到哪一条呢？这就需要我们的程序计数器PC来指示。 程序计数器PC具有自动加1的功能，即从存储器中读出一个字节的指令码后，PC自动加1（指向下一个存储单元）。 3、指令寄存器IR 指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。 在这里我们先简单的了解下CPU执行指令的过程，首先由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入到指令寄存器，经译码器译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号，从而完成指令的功能。关于指令在单片机内部的执行过程，我们在后面将会以另一节课来进行详细的讲解。 4、指令译码器ID 用于对送入指令寄存器中的指令进行译码，所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。当指令送入译码器后，由译码器对该指令进行译码，根据译码器输出的信号，CPU控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使单片机正确的执行程序所需要的各种操作。 5、地址寄存器AR（16位） AR的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息，指令码所在存储单元的地址编码，由程序计数器PC产生，而指令中操作数所在的存储单元地址码，由指令的操作数给定。从上图中我们可以看到，地址寄存器AR通过地址总线AB与外部存储器相连。 6、数据寄存器DR 用于存放写入外部存储器或I/O端口的数据信息。可见，数据寄存器对输出数据具有锁存功能。数据寄存器与外部数据总线DB直接相连。 7、程序状态字PSW 用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。 例如，累加器A的内容83H，执行： ADD A，#8AH ；累加器A与立即数8AH相加，并把结果存放在A中。 指令后，将产生和的结果为[1]0DH，而累加器A只有8位，只能存放低8位，即0DH，元法存放结果中的最高位B8。为些，在CPU内设置一个进位标志位C，当执行加法运算出现进位时，进位标志位C为1。 8、时序部件 由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号在后面的课程中我们将会安排一节课来讲解这些专用的寄存器。
单片机的内部结构
单片机的主要组成 ①一个8位的微处理器CPU。 ②片内数据存储器RAM(128B／256B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。 ③片内程序存储器ROM／EPROM(4KB／8KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM／EPBOM，如8031、8032、80C31等。 ④四个8位并行I／O(输入／输出)接口P0—P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出。 ⑤两个或三个定时／计数器，每个定时／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。 ⑥五个中断源的中断控制系统。 ⑦一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I／O口，可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。 ⑧片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为12MHz。 /* BYTE Registers */ １sfr P0 = 0x80;
２sfr P1 = 0x90; ３sfr P2 = 0xA0; ４sfr P3 = 0xB0; ５sfr PSW = 0xD0;程序状态字 ６sfr ACC = 0xE0;累加器 ７sfr B = 0xF0;Ｂ寄存器 ８sfr SP = 0x81; 堆栈指针 ９sfr DPL = 0x82;ＤＰＴＲ数据指针 １０sfr DPH = 0x83; １１sfr PCON = 0x87;电源控制寄存器 １２sfr TCON = 0x88;定时／计数控制寄存器 １３sfr TMOD = 0x89; 定时／计数工作方式状态寄存器 １４sfr TL0 = 0x8A; １５sfr TL1 = 0x8B; １６sfr TH0 = 0x8C; １７sfr TH1 = 0x8D; １８sfr IE = 0xA8;中断允许控制寄存器 １８sfr IP = 0xB8;中断优先级控制寄存器 ２０sfr SCON = 0x98;串行口控制寄存器 ２１sfr SBUF = 0x99;串行口数据缓冲器
51单片机的内部结构
51单片机的内部结构 MCS-51单片机内部结构 8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、 并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： ·中央处理器： 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位 二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控 制输入输出功能等操作。 ·数据存储器(RAM)： 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据， 所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义 的字型表。 ·程序存储器(ROM)： 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 ·定时/计数器(ROM)： 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 ·并行输入输出(I/O)口： 8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 ·全双工串行口： 8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 ·中断系统： 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
单片机内部AD的用法
STC系列单片机内部AD的应用 作者：郭天祥来源：原创更新时间：2008-11-27 22:16:38 浏览次数：11438 STC89LE52AD、54AD、58AD、516AD这几款89系列的STC单片机内部自带有8路8位的AD转换器，分布在P1口的8位上，当时钟在40MHz以下时，每17个机器周期可完成一次AD转换。 与AD相关的几个寄存器如表1所示。 表1 STC89系列单片机AD相关寄存器 P1_ADC_EN：P1.X口的AD使能寄存器。 相应位设置为“1”时，对应的P1. X口作为AD转换使用，内部上拉电阻自动断开。 ADC_CONTR：AD 转换控制寄存器。 ADC_START：AD转换启动控制位，设置为“1”时，AD开始转换。 ADC_FLAG：AD转换结束标志位，当AD转换完成后，ADC_FLAG=1。 CHS2、CHS1、CHS0：为模拟输入通道选择，如表2所示。 表2 STC89系列单片机AD模拟通道选择设置
ADC_DATA：AD 转换结果寄存器。模拟/数字转换结果计算公式如下： 结果=256×Vin / Vcc Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。 下面一个例程演示STC89LE516AD/X2系列单片机的A/D转换功能。时钟11.0592MHz，转换结果以16进制形式输出到串行口，可以用串行口调试程序观察输出结果。(本代码摘自宏晶科技芯片手册，经作者调试可正常运行)。 新建文件part3.4.5.c，程序代码如下： #include 2.3 单片机内部资源分配 2.3.1 MCS-51存储器空间 MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间： 片内程序存储器（ROM） 片外程序存储器（外扩） 片内数据存储器（RAM） 片外数据存储器（外扩） 但在逻辑上，即从用户的角度上（地址分配），8051单片机有三个存储编址空间，即：片内程序存储器、片外程序存储器统一编址的64KB（26*210=65536个单元）的程序存储器地址空间（C：）、256B（8位地址）的片内数据存储器的地址空间（D：）以及64KB（216）片外数据存储器的地址空间（X：）。在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。 在MCS-51单片机的芯片内部，主要有RAM和ROM两类存储器，即所谓的片内RAM和片内ROM。 1、片内数据存储器区（RAM） 8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256（28）个单元按其功能划分为两部分：低128（0~127）单元（单元地址为00H～7FH）和高128（128~255）单元（单元地址为80H～FFH）。表2.2所示为低128字节单元的配置情况。 低128单元是单片机的真正RAM存储器，按用途划分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。 表2.2 低128字节单元的配置 30~7FH 数据缓冲区 20~2FH 位寻址区（00~7FH） 18~1FH 工作寄存器组3（R0~R7） 10~17H 工作寄存器组2（R0~R7） 08~0FH 工作寄存器组1（R0~R7） 00~07H 工作寄存器组0（R0~R7） （1）工作寄存器区 8051共有4组工作寄存器，每组8个寄存单元，各组都以R0～R7作寄存单元名称。工作寄存器常用于存放操作数中间结果等。由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为工作寄存器，有时也叫通用寄存器。4组工作寄存器占据内部RAM的00H～1FH共32个单元地址。 在任何时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1（D4）、RS0（D3）位的状态组合来决定。 （2）位寻址区（只有位寻址区的位可单独访问，其余的单元均只能按字节为单位访问） 内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM字节单元使用，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，每一位都有独立的位地址，其范围为00H～7FH。MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。表2.3为位寻址区的位地址。 MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间： 1、片内程序存储器 2、片外程序存储器 3、片内数据存储器 4、片外数据存储器 但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间： 1、片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间（MOVC） 2、256B的片内数据存储器的地址空间（MOV） 3、以及64K片外数据存储器的地址空间（MOVX） 在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。 程序内存ROM 寻址范围：0000H ~ FFFFH 容量64KB EA = 1，寻址内部ROM；EA = 0，寻址外部ROM 地址长度：16位 作用：存放程序及程序运行时所需的常数。 七个具有特殊含义的单元是： 0000H ——系统复位，PC指向此处； 0003H ——外部中断0入口 000BH —— T0溢出中断入口 0013H ——外中断1入口 001BH —— T1溢出中断入口 0023H ——串口中断入口 002BH —— T2溢出中断入口 内部数据存储器RAM 物理上分为两大区：00H ~ 7FH即128B内RAM 和 SFR区。 作用：作数据缓冲器用。 下图是8051单片机存储器的空间结构图 程序存储器 一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。 MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB，此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。 当=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。 当=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。 8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H—0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意： 其中一组特殊是0000H—0002H单元，系统复位后，PC为0000H，单片机从 第2章80C51单片机内部结构和工作原理 本章要点 80C51系列单片机内部结构 外部引脚功能 存储空间配置和功能 片内RAM结构和功能 特殊功能寄存器的用途和功能 程序计数器PC的作用和基本工作方式 I/O端口结构、工作原理及功能 时钟和时序 复位电路、复位条件和复位后状态 低功耗工作方式的作用和进入退出的方法 §2-1 内部结构和引脚功能 一、 二、引脚功能 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）。 P3.0 ——RXD：串行口输入端； P3.1 ——TXD：串行口输出端； P3.2 ——INT0：外部中断0请求输入端； P3.3 ——INT1：外部中断1请求输入端； P3.4 ——T0：定时/计数器0外部信号输入端； P3.5 ——T1：定时/计数器1外部信号输入端； P3.6 ——WR：外RAM写选通信号输出端； P3.7 ——RD：外RAM读选通信号输出端。 §2-1 存储空间配置和功能 80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是： ⑴64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM； ⑵64KB外部数据存储器（外RAM）； ⑶256B内部数据存储器(内RAM) (包括特殊功能寄存器）。 80C51存储空间配置图 一、程序存储器（ROM） 地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中: A T89C51单片机的主要工作特性： ·内含4KB 的FLASH 存储器，擦写次数1000次； ·内含28字节的RAM ； ·具有32根可编程I/O 线； ·具有2个16位可编程定时器； ·具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构； ·具有1个全双工的可编程串行通信接口； ·具有一个数据指针DPTR; ·两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式； ·具有可编程的3级程序锁定定位； AT89C51的工作电源电压为5（1±0.2）V 且典型值为5V,最高工作频率为24MHz. AT89C51各部分的组成及功能： 1. 中央处理器 1.单片机的中央处理器（CPU ）是单片机的核心，完成运算和操作控制，主要包括运算器和控制器两部分。 振荡器和时钟电路 数据存储器 128字节 程序存储器 14KB CPU 两个16位定时器 计数器 中断 控制 总线扩展控制器 并行可编程 I/O 口 可编程 串行口 内部总线 外部中断 扩展控制 P0 P1 P2 P3 RXD TXD B 寄存AC 暂存器2 暂存器1 片内ROM 地址寄存器 PC 增量器 程序计数器 指令指令定时PSEN ALE （1）运算器 运算器主要用来实现算术、逻辑运算和位操作。其中包括算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、B寄存器、程序状态字PSW和两个暂存器等。 ALU是运算电路的核心，实质上是一个全加器，完成基本的算术和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘、除、增量、减量、BCD码运算；逻辑运算包括“与”、“或”、“异或”、左移位、右移位和半字节交换，以及位操作中的位置位、位复位等。 暂存器1和暂存器2是ALU的两个输入，用于暂存参与运算的数据。ALU的输出也是两个：一个是累加器，数据经运算后，其结果又通过内部总线返回到累加器；另一个是程序状态字PSW，用于存储运算和操作结果的状态。 累加器是CPU使用最频繁的一个寄存器。ACC既是ALU处理数据的来源，又是ALU运算结果的存放单元。单片机与片外RAM或I/O扩展口进行数据交换必须通过ACC来进行。 B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一，另一个输入来自ACC。运算结果存于AB寄存器中。 （2）控制器 控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件，主要包括程序计数器PC、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等，其功能是控制指令的读入、译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制。AT89C51单片机中，PC是一个16位的计数器，可对64KB程序存储器进行寻址。复位时PC的内容是0000H. (3)存储器 单片机内部的存储器分为程序存储器和数据存储器。AT89C51单片机的程序存储器采用4KB的快速擦写存储器Flash Memory,编程和擦除完全是电器实现。 （4）外围接口电路 AT89C51单片机的外围接口电路主要包括：4个可编程并行I/O口,1个可编程串行口，2个16位的可编程定时器以及中断系统等。 AT89C51的工作原理： 1.引脚排列及功能 AT89C51的封装形式有PDIP,TQFP,PLCC等，现以PDIP为例。 （1）I/O口线 ·P0口 8位、漏极开路的双向I/O口。 当使用片外存储器及外扩I/O口时，P0口作为低字节地址/数据复用线。在编程时，P0口可用于接收指令代码字节；程序校验时，可输出指令字节。P0口也可做通用I/O口使用，但需加上拉电阻。作为普通输入时，应输出锁存器配置1。P0口可驱动8个TTL负载。 ·P1口 8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 P1口是为用户准备的I/O双向口。在编程和校验时，可用作输入低8位地址。用作输入时，应先将输出锁存器置1。P1口可驱动4个TTL负载。 ·P2 8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 当使用外存储器或外扩I/O口时，P2口输出高8位地址。在编程和校验时，P2口接收高字节地址和某些控制信号。 ·P3 8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 P3口可作为普通I/O口。用作输入时，应先将输出锁存器置1。在编程/校验时，P3口接收某些控制信号。它可驱动4个TTL负载。 （2）控制信号线 单片机内部结构详解 MCS-51单片机结构 MCS-51系列单片机产品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8051内部设有4K字节的掩模ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。由ATMEL公司生产的89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器，他们的结构大同小异，本章将对8051单片机的结构作一介绍。 MCS-51单片机组成 MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件： ◆ 一个8位CPU； ◆ 一个片内振荡器及时钟电路； ◆ 4K字节ROM程序存储器； ◆ 128字节RAM数据存储器； ◆ 两个16位定时器/计数器； ◆ 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路； ◆ 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）； ◆ 一个可编程全双工串行口； ◆ 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。 8051单片机框图如图所示。各功能部件由内部总线联接在一起。图中4K（4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。 CPU CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 1. 运算器 运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。 8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的， 可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以及进位标志位与其 他可寻址的位之间进行数据传送等位操作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻 辑与、或操作。 2. 程序计数器PC 程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。 ?指令寄存器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令 寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。 ?定时与控制部件 ①时钟电路 8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，X TAL1和 X TAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时钟电路如图2-2所示。 在X TAL1和 X TAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用 石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在1.2MH z到12MH z之间选择，电容值在5-30P F之间选择，电容的大小可起频率微调作用。 单片机的基本组成 在讲单片机的组成之前我们先来说一下大家都熟知的计算机 一、计算机的经典结构 在设计计算机时匈牙利籍数学家冯.诺依曼提出的“程序存储”和“二进制运算”的思想。 1、二进制运算决定了计算机的硬件结构。 二进制运算包括二进制算术运算和逻辑运算（逻辑运算的基础是逻辑代数，又称布尔代数）。逻辑量只表示两种不同的状态，可以对应电子线路中的电阻高低、二极管、三极管的通断等。因此，二进制运算决定了计算机可以由电子元器件，特别是集成电路组成。 2、程序存储决定了软件控制硬件工作。因此，计算机的基本结构包括硬件和软件两部分。计算机的工作原理：由输入设备将软件送入存储器，然后由控制器逐条取出存储器中的控制软件，并运行，再将运行结果送到输出设备。 3、计算机的经典结构 根据以上思路，计算机由运算器、控制器、存储器和输入设备、输出设备组成。 图1.1.1 计算机经典结构图 对经典结构中各部分有机组合，就构成了微型计算机。由于各部分的具体电路（元器件及元器件的组合方式）不同，又形成了各种应用形态。 二、微型计算机（Microcomputer）组成及应用形态 1、微型计算机组成 将经典结构中的运算器、控制器组合在一起，再增加一些寄存器等，集成为一个芯片，这个芯片称为微处理器（Microcontroller），即CPU(Center Processing Unit )。这样微型计算机就由CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口组成。再配以输入/输出（I/O）设备和软件，就构成了微型计算机应用系统，简称微型计算机。 图1.1.2 微型计算机系统结构图 2、应用形态 （1）系统机（多版机） 微处理器CPU、存储器、I/O端口电路和总线接口等组装在一块主板上，再通过系统总线和外设适配卡连接键盘、显示器、打印机等，再配上系统软件就构成了一个完整的计算机系统。 图1.1.3 微型计算机结构图 这就是办公室、家庭使用的PC机的典型形态。由于较大的存储容量（存储器、硬盘、软盘、光盘等），输入、输出设备齐全，而且软件丰富（系统软件和应用软件），能够进行海量计算和应用系统开发。 (2)单板机 将CPU、存储器、I/O接口芯片和简单的I/O设备等装配在一块线路板上，再配上监控程序（固化在ROM中）就构成了单板机。 图1.1.4 单板机结构图 实验开发系统就是单板机的典型形态：由于有硬件和软件，能独立运行，但I/O设备简单，特别是软件资源少（只有监控程序），不能应用于海量计算和大型应用程序的开发，主要用于计算机原理教学和简单的测试（调试）系统。 三单片机 将CPU、存储器、I/O接口电路集成到一块芯片上，这个芯片称为单片机。 51单片机内部有一个8位的CPU，同时知道了CPU内部包含了运算器，控制器及若干寄存器。在这节课，我们就与大家一起来讨论一下51单片机CPU的内部结构及工作原理。 从上图中我们可以看到，在虚线框内的就是CPU的内部结构了，8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序状态字PSW （8位）、程序计数器PC（有时也称为指令指针，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、数据寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令译码器ID、控制器等部件组成。 1、运算器（ALU）的主要功能 A）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是8位，半个字节就是4位）和单字节数据进行操作。 B）加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。 C）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。 D）位处理功能（即布尔处理器）。 由于ALU内部没有寄存器，参加运算的操作数，必须放在累加器A中。累加器A也用于存放运算结果。例如：执行指令 ADD A，B 执行这条指令时，累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU，寄存器B通过内部数据总线经输入口 In_2输入ALU，A+B的结果通过ALU的输出口Out、内部数据总线，送回到累加器A。 2、程序计数器PC PC的作用是用来存放将要执行的指令地址，共16位，可对64K ROM直接寻址，PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。也就是说，程序执行到什么地方，程序计数器PC就指到哪里，它始终是跟蹿着程序的执行。我们知道，用户程序是存放在内部的ROM中的，我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来，然后到CPU中去执行，那么ROM具体执行到哪一条呢？这就需要我们的程序计数器PC 来指示。单片机内部资源分配
51单片机存储器内部结构
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