第4章单片机内部结构

1、第四章 单片机内部结构4.1 程序存储器程序存储器 一、片内程序存储器及一、片内程序存储器及EA控制控制 作用：主要用来存放程序、常数或表格等。作用：主要用来存放程序、常数或表格等。程序存储器以程序存储器以PC做地址指针，通过做地址指针，通过16位地位地址总线可寻址的地址空间为址总线可寻址的地址空间为64KB。地址范。地址范围：围：0000HFFFFH 分类：程序存储器分为内部分类：程序存储器分为内部ROM和外部和外部ROM。 注：注： 1、程序存储器片内和片外统一编址。、程序存储器片内和片外统一编址。 2、EA引脚为程序存储器空间选择控制端引脚为程序存储器空间选择控制端 。 在程序存储器中，

2、有在程序存储器中，有6个单元具有特定含义：个单元具有特定含义： 0000H：单片机复位后，：单片机复位后，PC=0000H，即，即从从0000H开始执行指令。开始执行指令。 0003H：外部中断：外部中断0入口地址。入口地址。 000BH：定时器：定时器0溢出中断入口地址。溢出中断入口地址。0013H：外部中断：外部中断1入口地址。入口地址。 001BH：定时器：定时器1溢出中断入口地址。溢出中断入口地址。0023H：串行口中断入口地址。：串行口中断入口地址。 （1）片内有程序存储器且存储空间足够）片内有程序存储器且存储空间足够 在在8051/8751片内，带有片内，带有4KB ROM/EPR

3、OM程序储存器（内部程序存储程序储存器（内部程序存储器），器），4KB可存储两千多条指令，对于一可存储两千多条指令，对于一个小型的单片机控制系统来说就足够了，个小型的单片机控制系统来说就足够了，若不够还可选若不够还可选8KB或或16KB内存的单片机芯内存的单片机芯片，不要扩展会增加成本，增大产品体积。片，不要扩展会增加成本，增大产品体积。 （2）片内有程序存储器且存储空间不够）片内有程序存储器且存储空间不够 片内程序存储器储存空间不够用时，可外片内程序存储器储存空间不够用时，可外扩展程序存储器，要将扩展程序存储器，要将EA引脚接高电平，引脚接高电平，使程序从内部使程序从内部ROM开始执行，当开

4、始执行，当PC值超值超出内部出内部ROM的容量时，会自动转向外部程的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。序存储器空间。 （3）片内无程序存储器）片内无程序存储器 地址从地址从0000H-FFFFH都是外部程序存储器都是外部程序存储器空间，空间，EA应始终接低电平，使系统只从外应始终接低电平，使系统只从外部程序储存器中取指令。部程序储存器中取指令。 当读取外部程序储存器时，单片机的当读取外部程序储存器时，单片机的PSEN端变为低电平：当读取内部程序储端变为低电平：当读取内部程序储存器时，单片机的存器时，单片机的PSEN端将保持高电平。端将保持高电平。 总结：总结：/EA用于输入用外部程序存储器

5、取址用于输入用外部程序存储器取址或从内部程序存储器取址的选择信号。当或从内部程序存储器取址的选择信号。当/EA接高电平时低接高电平时低4KB指令在片内读取，指令在片内读取，/EA接低电平则所有的指令均在片外读取。接低电平则所有的指令均在片外读取。 二、片外程序存储器及其扩展二、片外程序存储器及其扩展 在单片机系统中，当片内存储容量不够在单片机系统中，当片内存储容量不够用时，必须外接存储器芯片。用时，必须外接存储器芯片。 提示：因为片外扩展提示：因为片外扩展ROM成本高等原因，成本高等原因，很少扩展很少扩展ROM。扩展设计步骤扩展设计步骤 扩展设计步骤如下：扩展设计步骤如下： 1、根据需要，选择

6、适当的存储器芯片。、根据需要，选择适当的存储器芯片。 2、合理分配存储器的地址空间、合理分配存储器的地址空间包括两个方面，一是选择芯片（即片选），二包括两个方面，一是选择芯片（即片选），二是选择芯片内的存储单元。在片选中常用的方是选择芯片内的存储单元。在片选中常用的方法有线选法和译码法。法有线选法和译码法。 3、根据系统总线的负载能力，选择接入总线驱、根据系统总线的负载能力，选择接入总线驱动器动器4、检验存储器的读取速度、检验存储器的读取速度三、常用程序存储器介绍三、常用程序存储器介绍常用程序存储器：紫外光可擦除的常用程序存储器：紫外光可擦除的EPROM和和电可擦除的电可擦除的E2PROM。E

7、PROM价格低廉，性价格低廉，性能可靠，所以得到广泛应用。电擦除能可靠，所以得到广泛应用。电擦除E2PROM今年来得到了广泛的应用。今年来得到了广泛的应用。 （1）EPROM的型号特性的型号特性 EPROM有有2716（2KB*8）、）、2732（4KB*8）、）、2764（8KB*8）、）、27128（16KB*8）、）、27256（32KB*8）、）、27512（64KB*8） 常用的常用的EPROM芯片引脚图如图芯片引脚图如图4-5所示。所示。 Ai-A0：地址输入线：地址输入线 D7-D0:数据线，三态双向，读时为输出线，编程数据线，三态双向，读时为输出线，编程时为输入线，禁止时为高阻

8、。时为输入线，禁止时为高阻。 /CE:片选信号线，低电平有效片选信号线，低电平有效 /OE：读取通信号出入线：读取通信号出入线 /PGM：编程脉冲输入线：编程脉冲输入线 VPP:编程电源输入线编程电源输入线 VCC：电源，一般为：电源，一般为+5V. GND:地线地线（2）EPROM的操作方式的操作方式 主要操作方式：编程方式、编程效验方式、主要操作方式：编程方式、编程效验方式、读出方式、维持方式、编程禁止方式。读出方式、维持方式、编程禁止方式。 四、存储器扩展常用的芯片介绍四、存储器扩展常用的芯片介绍 补充：锁存器是一种对脉冲电平敏感的存补充：锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可

9、以在特定输入脉冲电储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。平作用下改变状态。 简单锁存器描述：输出端的状态不会随输简单锁存器描述：输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，只有在有锁存信入端的状态变化而变化，只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。通常只有个锁存信号。通常只有0和和1两个值。两个值。 在在MCS-51单片机中的单片机中的16位地址，分为高位地址，分为高8位（位（A15-A8）和低）和低8位（位（A7-A0）。高）。高8位位由由P2口输出，低口输出，低8位由位由P0口输出，而口输出，而P0口口同时又是数据输出

10、入同时又是数据输出入/输出接口，故在传送输出接口，故在传送时采用分时方式，先输出低时采用分时方式，先输出低8位地址，然后位地址，然后再传送数据。但是，在对外部存储器进行再传送数据。但是，在对外部存储器进行读读/写操作时，地址必须保持不变，这就需写操作时，地址必须保持不变，这就需要选择用适当的寄存器存放低要选择用适当的寄存器存放低8位地址，这位地址，这个外接的存储器就成为地址锁存器。个外接的存储器就成为地址锁存器。 目前，常用的地址锁存器芯片有目前，常用的地址锁存器芯片有74LS273、74LS373、8282等。书上图等。书上图4-7为常用地为常用地址锁存器芯片址锁存器芯片74LS373引脚图

11、。引脚图。74LS373功能表如书上表功能表如书上表4-8所示。所示。 五、译码器芯片介绍五、译码器芯片介绍 在用多片存储器芯片构成外部存储器时，在用多片存储器芯片构成外部存储器时，除了低除了低8位地址需要锁存之外，还要由高位位地址需要锁存之外，还要由高位地址产生片选信号。地址产生片选信号。 常用的译码器芯片：。常用的译码器芯片：。 74LS138是一种是一种3-8译码器，有译码器，有3个输入端，个输入端，经译码产生经译码产生8种状态。如图所示，译码器输种状态。如图所示，译码器输入端与输出端的译码逻辑关系功能如书上入端与输出端的译码逻辑关系功能如书上表表4-9所示。只有当所示。只有当G1=1且

12、且G2A=G2B=0时译码器才能进行译码输出，否则译码器时译码器才能进行译码输出，否则译码器的的8个输出端全部为高阻状态。个输出端全部为高阻状态。 六六.EPROM扩展电路扩展电路 连线说明：连线说明： （1）地址线的链接。）地址线的链接。 程序存储器的低程序存储器的低8位地址线（位地址线（A0-A7）接）接P0口（口（P0.0-P0.7）。）。 程序存储器高程序存储器高8位地址线（位地址线（A8-A15）接）接P2口（口（P2.0-P2.7）。）。 注意：在注意：在P0口的输出处要外加地址锁存器。口的输出处要外加地址锁存器。P2口线口线一般作为高位地址线和外扩存储器的片选信号线。一般作为高位

13、地址线和外扩存储器的片选信号线。 （2）数据线的链接。程序存储器的）数据线的链接。程序存储器的8位数据线（位数据线（Q0-Q7）与）与P0口（口（P0.0-P0.7）从低到高对应相连。）从低到高对应相连。 （3）控制信号线的链接。将单片机的程序选通有效）控制信号线的链接。将单片机的程序选通有效信号信号PSEN接到外扩存储器的输出选通接到外扩存储器的输出选通OE端，地址端，地址锁存允许信号锁存允许信号ALE接到地址锁存器的锁存控制段。接到地址锁存器的锁存控制段。 4.3 数据存储器数据存储器4.3.1 数据存储器的结构数据存储器的结构 一、结构一、结构 见黑板见黑板 二、扩展二、扩展 内部空间有

14、限，需要扩展。内部空间有限，需要扩展。 见黑板见黑板4.3.2特殊功能寄存器特殊功能寄存器 一、定义一、定义 MCS-51单片机内部的单片机内部的I/O口锁存器、串行口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器口数据缓冲器、定时器/计数器以及各种控计数器以及各种控制寄存器和状态寄存器统称为特殊功能寄制寄存器和状态寄存器统称为特殊功能寄存器，简记为存器，简记为SFR 。 二、特点二、特点 51系列有系列有21个特殊功能寄存器，其中有个特殊功能寄存器，其中有11个寄存器支持字节寻址和位寻址，其字节个寄存器支持字节寻址和位寻址，其字节地址能被地址能被8整除（字节地址末尾为整除（字节地址末尾为0或或8），），5

15、2系列有系列有26个。个。 三、功能三、功能 特殊功能寄存器地址表见书特殊功能寄存器地址表见书P751、程序计数器（、程序计数器（PCProgram Counter）PC是一个是一个16位的计数器，它的作用是控制程序位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达址范围达64 KB。PC有自动加有自动加1功能，从而实现功能，从而实现程序的顺序执行。程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写，但可以通过转移、因此用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内

16、容，以实现程序的转调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。因地址不在移。因地址不在SFR（专用寄存器）之内，一般（专用寄存器）之内，一般不计作专用寄存器。不计作专用寄存器。 程序计数器是专门用来控制指令执行顺序的十六程序计数器是专门用来控制指令执行顺序的十六位寄存器。位寄存器。PC的内容就是待执行指令机器码存的内容就是待执行指令机器码存放单元的地址，放单元的地址，PC又称地址指针。它用来存放又称地址指针。它用来存放下一条要执行的指令地址。当一条指令按照下一条要执行的指令地址。当一条指令按照PC所指的地址从存储器中取出后，所指的地址从存储器中取出后，PC自动加自动加1，即，即指向下一条指令

17、指向下一条指令 2、累加器（、累加器（ACCAccumulator） 累加器为累加器为8位寄存器，它既可用于存放操作位寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。数，也可用来存放运算的中间结果。MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。个操作数也取自累加器。 3、B寄存器寄存器 B寄存器是一个寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，运算。乘法运算时，B存乘数。乘法操作存乘数。乘法操作后，乘积的高后，乘积的高8位存于

18、位存于B中，除法运算时，中，除法运算时，B存除数。除法操作后，余数存于存除数。除法操作后，余数存于B中。此中。此外，外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使寄存器也可作为一般数据寄存器使用。用。 4、程序状态字（、程序状态字（PSWProgram Status Word） 程序状态字是一个程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运位寄存器，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行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用的位状态可以

19、用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据件转移指令将根据PSW有些位的状态，进行程序有些位的状态，进行程序转移。转移。PSW的各位定义如下：的各位定义如下：D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVPPSW除除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使位保留未用外，其余各位的定义及使用如下：用如下： CY（PSW.7）进位标志位。进位标志位。CY是是PSW中最中最常用的标志位。其功能有二：一是存放算术运算常用的标志位。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，如果操作结的进位标志，在进行加或减运算

20、时，如果操作结果的最高位有进位或借位时，果的最高位有进位或借位时，CY由硬件置由硬件置“1”，否则清否则清“0”；二是在位操作中，作累加位使用。；二是在位操作中，作累加位使用。位传送、位与位或等位操作，操作位之一固定是位传送、位与位或等位操作，操作位之一固定是进位标志位。进位标志位。(运算结果的最高位运算结果的最高位(D7位位)产生进位产生进位或借位，则或借位，则CY位由硬件置位由硬件置1；否则；否则CY由硬件清由硬件清0。) AC（PSW.6）辅助进位标志位。在进辅助进位标志位。在进行加减运算中，当低行加减运算中，当低4位向高位向高4位进位或借位进位或借位时，位时，AC由硬件置由硬件置“1”

21、，否则，否则AC位被清位被清“0”。在。在BCD码调整中也要用到码调整中也要用到AC位状态。位状态。 (又称半进位标志。在执行算术运算指令时又称半进位标志。在执行算术运算指令时，如果运算结果的，如果运算结果的D3位位 产生进位或借位，则产生进位或借位，则AC位由硬件置位由硬件置1；否；否则则AC由硬件清由硬件清0 ) F0（PSW.5）用户标志位。这是一个用户标志位。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。置位或复位，用以控制程序的转向。RS1和和RS0（PSW.4，PSW.3）寄存器组寄存器组选择位。它们被用于选择选择位

22、。它们被用于选择CPU当前使用的通用当前使用的通用寄存器组。通用寄存器共有寄存器组。通用寄存器共有4组，其对应关系组，其对应关系如下：如下：00：0组组 01：1组组 10：2组组 11：3组组 这两个选择位的状态是由软件设置的，被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通用寄存器组。选中的寄存器组即为当前通用寄存器组。但当单片机上电或复位后，但当单片机上电或复位后，RS1RS0=00。PSW寄存器RS1、RS0位 当前工作寄存器区 寄存器R7R0地址 00 0区 07HOOH 01 1区 OFH08H 10 2区 17HlOH 11 3区 lFH18H OV（PSW.2）溢

23、出标志位。在带符号溢出标志位。在带符号数加减运算中，数加减运算中，OV=1表示加减运算超出了表示加减运算超出了累加器累加器A所能表示的符号数有效范围（所能表示的符号数有效范围（-128 +127），即产生了溢出，因此运算），即产生了溢出，因此运算结果是错误的，否则，结果是错误的，否则，OV=0表示运算正确，表示运算正确，即无溢出产生。即无溢出产生。 (在执行算术运算指令时，如果运算结果的在执行算术运算指令时，如果运算结果的最高位最高位(D7位位)和次高位（和次高位（D6位）这两位中位）这两位中有且仅有一位产生进位或借位，则有且仅有一位产生进位或借位，则OV位由位由硬件置硬件置1，否则，否则OV

24、由硬件清由硬件清0 ) P（PSW.0）奇偶标志位。奇偶标志位。用以表示用以表示累加器累加器A中中1的个数奇偶性，若累加器的个数奇偶性，若累加器A中中1的个数为奇数则的个数为奇数则P1，否则，否则P0 。此标志。此标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义。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。验数据传输的可靠性。 4、数据指针（、数据指针（DPTR） 数据指针为数据指针为16位寄存器。编程时，位寄存器。编程时，DPTR既可以按既可以按16位寄存器使用，也可以按两个位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开

25、使用，即：位寄存器分开使用，即：DPH DPTR高位高位字节，字节，DPL DPTR低位字节。低位字节。DPTR通常通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用。在访问外部数据存储器时作地址指针使用。由于外部数据存储器的寻址范围为由于外部数据存储器的寻址范围为64 KB，故把故把DPTR设计为设计为16位。位。 5、堆栈指针（、堆栈指针（SPStack Pointer） 堆栈是一个特殊的存储区，堆栈是一个特殊的存储区，主要用于子程序和中主要用于子程序和中断程序中断程序中,具有保护现场和恢复现场功能具有保护现场和恢复现场功能 (用来暂用来暂存数据和地址存数据和地址)，它是按，它是按“先进后出先进后出

26、”的原则存取的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。由于数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。由于MCS-51单片机的堆栈设在内部单片机的堆栈设在内部RAM中，因此中，因此SP是一个是一个8位寄存器。系统复位后，位寄存器。系统复位后，SP的内容为的内容为07H，从而复位后堆栈实际上是从，从而复位后堆栈实际上是从08H单元开始单元开始的。但的。但08H1FH单元分别属于工作寄存器单元分别属于工作寄存器13区，如程序要用到这些区，最好把区，如程序要用到这些区，最好把SP值改为值改为1FH或更大的值。或更大的值。 CY进位标志。在执行算术运算指令时，如果运算结果进位标志。在执行算术运算指令时

27、，如果运算结果的最高位的最高位(D7位位)产生进位或借位，则产生进位或借位，则CY位由硬件置位由硬件置1；否则否则CY由硬件清由硬件清0。AC辅助进位标志。又称半进位标志。在执行算术运算指辅助进位标志。又称半进位标志。在执行算术运算指令时，如果运算结果的令时，如果运算结果的D3位位产生进位或借位，则产生进位或借位，则AC位由硬件置位由硬件置1；否则；否则AC由硬件清由硬件清0 RS1、RS0工作寄存器组选择控制位。确定当前工作寄工作寄存器组选择控制位。确定当前工作寄存器组组号。存器组组号。OV溢出标志位。在执行算术运算指令时，如果运算结果溢出标志位。在执行算术运算指令时，如果运算结果的最高位的

28、最高位(D7位位)和次高位（和次高位（D6位）这两位中有且仅有一位位）这两位中有且仅有一位产生进位或借位，则产生进位或借位，则OV位由硬件置位由硬件置1，否则，否则OV由硬件清由硬件清0 F0 用户标志位。用软件使他置位活清零用户标志位。用软件使他置位活清零P奇偶标志位。奇偶标志位。数据指针数据指针DPTR（Data Pointer ）数据指针数据指针DPTR为一个为一个16位的特殊功能寄存器，它由位的特殊功能寄存器，它由两个两个8位寄存器位寄存器DPH和和DPL组成组成 堆栈指针堆栈指针SP（Stack Pointer ）堆栈是在堆栈是在内部内部RAM区专门开辟出来按照区专门开辟出来按照“先

29、进后出，先进后出，后进先出后进先出”原则进行数据存取的存储区，原则进行数据存取的存储区， I/O端口寄存器端口寄存器P0P3： P0P3均为均为8位的特殊功能寄存器，通过位的特殊功能寄存器，通过对对I/O端口寄存器的读写，可实现数据从端口寄存器的读写，可实现数据从I/0端口的输入端口的输入/输出输出 4.3.3 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 复习复习一、内部数据存储器一、内部数据存储器 内部数据存储器在结构上可以分为两内部数据存储器在结构上可以分为两个不同的存储空间，即低个不同的存储空间，即低128单元的数据存单元的数据存储器空间（储器空间（00H7FH）和高）和高128单元的具单元的具有

30、特殊功能的专用寄存器存储器空间有特殊功能的专用寄存器存储器空间（80H 0FFH）。）。二、外部数据存储器二、外部数据存储器 MCS-51具有扩展具有扩展64KB外部数据存储器外部数据存储器的能力。的能力。 一、扩展目的一、扩展目的 RAM是用来存放各种数据的，是用来存放各种数据的，MCS-51系系列列8位单片机内部有位单片机内部有128字节的字节的 RAM存储存储器，器，CPU对内部对内部RAM具有丰富的操作指令。具有丰富的操作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的大批量数据时，仅靠片内提供的RAM是远是远远不够的。此时，我

31、们可以利用单片机的远不够的。此时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。扩展功能，扩展外部数据存储器。 外部数据存储器只能采用间接寻址方式进行访外部数据存储器只能采用间接寻址方式进行访问。指令：问。指令：MOVX例例: MOVX A,DPTR ;读外部读外部RAM的数据的数据 MOVX DPTR,A ;写数据到外部写数据到外部RAM中中【注注】 ：1、外部、外部RAM与外部与外部I/O口统一编址。口统一编址。 2、数据存储器与程序存储器地址可、数据存储器与程序存储器地址可完全重叠（完全重叠（0000H FFFFH） 二、常用数据存储器二、常用数据存储器 常用的外部数据存储器：常用的

32、外部数据存储器： 静态静态RAM（SRAM） 动态动态RAM(DRAM) 。 一般情况下，一般情况下，SRAM用于仅需要小于用于仅需要小于64 KB数据数据存储器的小系统，存储器的小系统，DRAM经常用于需要大于经常用于需要大于64 KB的大系统。的大系统。静态随机存储器，如静态随机存储器，如6116（2K*8），），6264（8K*8） 三、扩展方法三、扩展方法 数据存储器只用数据存储器只用/WR、/RD扩展线，而不用扩展线，而不用/PESN。 A0 Ai：地址输入线。：地址输入线。6116：i=10； 6264：i=12；（2K64K） I/O0I/O7：双向三态数据线（接：双向三态数据线（接P0.0P0.7）