项目2.2单片机嵌入式系统原理及应用(贾好来)单片机的存储器的结构

第2部分2.58051存储器的结构2.68051单片机的I/O口2.78051时钟电路与时序2.8复位操作和复位电路2.9低工耗模式:空闲模式和掉电模式第1部分第2部分第3部分2.58051存储器的结构8051单片机存储器采用的是哈佛结构，即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便、有利。8051存储器结构示意图2.5.18051程序存储器8051单片机的程序存储器用于存放应用程序和表格之类的固定常数。可扩充的程序存储器空间最大为64K字节。程序存储器的使用应注意以下两点：1.程序存储器空间可以分为片内（On-Chip）和片外（ExternalProgramMemory）两部分，CPU访问片内和片外程序存储器，可由引脚所接的电平来确定。

=1，即引脚接高电平时，程序将从片内程序存储器开始执行；当PC值超出片内ROM的容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行程序。

=0，即引脚接低电平时，单片机只执行片外程序存储器中的程序。无论从片内或片外程序存储器读取指令，其操作速度都是相同的。2.程序存储器的某些单元被固定用于中断源的中断服务程序的入口地址。注意！

8051单片机复位后，程序计数器PC的内容为0000H，故系统从0000H单元开始取指令，执行程序。注意！64K程序存储器中有5(8052系列6个)个单元具有特殊用途。5个(6个)特殊单元分别对应于5(6个)种中断源的中断服务程序的入口地址，见表2-3。通常在这些中断入口地址处都放一条绝对跳转指令。这是因为，两个中断入口间隔仅有8个单元，存放中断服务程序往往是不够用的。表2-38051中断服务程序的入口地址中断名称入口地址外部中断0()0003H定时器0中断(T0)000BH外部中断1()0013H定时器1中断(T1)001BH串行口中断0023H定时器2中断(T2，仅8052)002BH2.5.28051内部数据存储器8051单片机的片内数据存储器单元共有128个，字节地址为00H-7FH。地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每个区含8个8位寄存器，编号为R7-R0。地址为20H-2FH的16个单元可进行共128位的位寻址。地址为30H-7FH的单元为用户RAM区，只能进行字节寻址。8051内部数据存储器的配置

2.5.3特殊功能寄存器（SFR）

SpecialFunctionRegister

特殊功能寄存器的总数为21个，离散的分布在80H-0FFH区域中，其中有些SFR还可以进行位寻址。表2-4是SFR的名称及其分布。表2-4

SFR的名称及其分布特殊功能寄存器符号名

称字节地址位地址BB寄存器F0HF7H～F0HACC(或A)累加器AE0HE7H～E0HPSW程序状态字PSWD0HD7H～D0HIP中断优先级控制B8HBFH～B8HP3P3口B0HB7H～B0HIE中断允许控制A8HAFH～A8HP2P2口A0HA7H～A0HSBUF串行数据缓冲器99HSCON串行控制98H9FH～98HP1P1口90H97H～90HTH1定时器/计数器1(高8位)8DHTH0定时器/计数器0(高8位)8CHTL1定时器/计数器1(低8位)8BHTL0定时器/计数器0(低8位)8AHTMOD定时器/计数器方式控制89HTCON定时器/计数器控制88H8FH～88HPCON电源控制87HDPH数据指针高字节83HDPL数据指针低字节82HSP堆栈指针81HP0P0口80H87H～80H+T2CON定时器/计数器2控制0C8H0C8H~0CFH+TH2定时器/计数器2(高8位)0CDH+TL2定时器/计数器2(低8位)0CCH+RCAP2HT/C2俘获寄存器高位字节0CBH+RCAP2LT/C2俘获寄存器高位字节0CAH++DP0H数据指针DPTR0的高8位82H++DP0L数据指针DPTR0的低8位83H++DP1H数据指针DPTR1的高8位84H++DP1L数据指针DPTR1的低8位85H++AUXR辅助寄存器8EH++AUXR1辅助寄存器10A2H++WDTRST看门狗复位寄存器0A6H

注：+8052有

++仅89S52有表2-4

SFR的名称及其分布(续表)堆栈指针SP堆栈指针SP的内容指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。它可指向内部RAM00H-7FH的任何单元。单片机复位后，SP中的内容为07H，即指向07H的RAM单元，使得堆栈事实上由08H单元开始。考虑到08H-1FH单元分别属于1-3组的工作寄存器区，若在程序设计中要用到这些区，最好把SP值改为1FH或更大的值。堆栈的操作堆栈操作：数据压入（PUSH）堆栈数据弹出(POP)堆栈PUSH:SP自动加1后,一个字节数据压入堆栈；POP:一个字节数据弹出堆栈后,SP自动减1。SP=60H，CPU执行一条子程序调用指令或响应中断后，PC内容（断点）进栈，PC的低8位PCL压入到61H单元，PC的高8位PCH压入到62H，此时，SP＝62H。数据指针DPTR16位的SFR高位字节寄存器用DPH表示低位字节寄存器用DPL表示DPTR即可以作为一个16位寄存器DPTR来用，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来用。注意！

在AT89S52等单片机中，内含2个16位的数据指针寄存器DPTR0和DPTR1。DPTR0和DPTR1是两个独特的16位寄存器，既可以用做16位的数据指针使用，也可分开以8位的寄存器单独使用(DP0L、DP0H，DP1L、DP1H)。通过软件对特殊功能寄存器SFR的辅助寄存器AUXR1进行设置，便可以选择DPTR0或DPTR1。AUXR1是一个不可进行位寻址的特殊功能寄存器，其复位值

=XXXXXXX0B，地址=0A2H。AUXR1各位定义及格式图2-6。图2-6AT89S52辅助寄存器AUXR1定义及格式端口P0～P3特殊功能寄存器P0～P3分别为I/O端口P0～P3的锁存器，即每一个8位I／O口都为RAM的一个单元（8位）。在8051单片机中，I/O口和RAM统一编址，使用起来较为方便，所有访问RAM单元的指令，都可用来访问I/O口。串行数据缓冲器SBUF串行数据缓冲器SBUF

用于存放欲发送或已接收的数据，它在SFR中只有一个字节地址，但物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器，当要发送的数据传送到SBUF时，进的是发送缓冲器；接收时，外部来的数据存入接收缓冲器。定时器／计数器8051单片机有两个16位定时器／计数器T0和T1。两个定时器各由两个独立的8位寄存器组成，共有4个独立的寄存器TH0、TL0、TH1、TL1，可以分别对这4个寄存器进行字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。在AT89S52，AT89S53及AT89S8252等单片机中，增加了一个16位定时/计数器T2，以及看门狗定时器(WatchdogTimer)，使单片机功能更强，可靠性更高。2.5.4位地址空间

8051单片机指令系统中有丰富的位操作指令，这些指令构成了位处理机的指令集。在RAM和SFR中共有211个位地址，位地址范围在00H-FFH内，其中00H-7FH这128个位处于内部RAM字节地址20H-2FH单元中，如表2-5所示。其余的83个可寻址位分布在特殊功能寄存器SFR中，如表2-6所示。表2-58051内部RAM的可寻址位字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H表2-68051特殊功能寄存器中的位地址SFR符号位地址字节地址D7D6D5D4D3D2D1D0BF7HF6HF5HF4HF3HF3HF1HF0HF0HACCE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HACC.7ACC.6ACC.5ACC.4ACC.3ACC.2ACC.1ACC.0PSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1D0D0HCYACF0RS1RS0OVF1PIP--BDHBCHBBHBAHB9HB8HB8HPT2PSPT1PX1PT0PX0P3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HB0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IEAFH--ACHABHAAHA9HA8HA8HEA--ESET1EX1ET0EX0P2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIP197H96H95H94H93H92H91H90H90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0TCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0P087H86H85H84H83H82H81H80H80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.02.5.5外部数据存储器

8051单片机内部有128个字节的RAM作为数据存储器，当需要外扩时，最多可外扩64k字节的RAM或I/O。2.68051单片机并行I/O口8051的四个端口均是双向的，每个端口由一个锁存器(特殊功能寄存器P0-P3)、一个输出驱动器和一个输入缓冲器组成。2.6.18051的I/O结构1.P0口的结构P0口是三态双向口，称地址/数据总线口。P0口用以输出外部存储器的低8位地址。由于数据和地址是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。P0用于读/写外部存储器的数据（Data）。当不需要读写外部存储器时，P0口可用作普通的I/O输出端口,此时,需要上拉电阻P0口可驱动8个LSTTL负载2.P1口的结构P1口有内部上拉单元，每根I/O线路可独立的用作输入或输出。用作输入时，端口的位锁存器必须为1，以关闭输出驱动FET。这时P1口由内部提拉元件拉为高电平，但可以由外部电源拉为低电平。3.P2口的结构P2口在系统扩展时作高8位地址线。如果没有系统扩展，例如使用8051/8751/8951单片机不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用。P2口是准双向口。P2口可驱动4个标准LSTTL负载。4.P3口的结构P3口可驱动4个标准LSTTL负载P3口在以下的情况下作为第二功能使用：串行通信使用，外部中断使用，定时器/计数器使用，扩展外部RAM时使用控制信号。除上述情况外，则可以当作I/O引脚用。引脚第二功能*P1.0T2(定时器／计数器2外部输入)*P1.1T2EX(定时器／计数器2俘获／重装触发器)**P1.5MOSI(ISPFlash串行编程时指令输入)**P1.6MISO(ISPFlash串行编程时数据输出)**P1.7SCK(ISPFlash串行编程时外部时钟信号)P3.0RXD(串行输入端口)P3.1TXD(串行输出端口)P3.2(外部中断0)P3.3(外部中断1)P3.4T0(定时器／计数器0的外部输入)P3.5T1(定时器／计数器1的外部输入)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器读选通)

表2-78051P3口管脚第二功能注：*P1.0和*P1.1仅在8052中具有第二功能。**P1.5、P1.6、P1.7仅在89S系列单片机中作为Flash存储器编程接口。下面以P1口为例，说明8051I/O的读写过程Writing“1”toOutputPinP1.XD

QClk

QVccLoad(L1)ReadlatchReadpinWritetolatchInternalCPUbusM1P1.XpinP1.X2.outputpinisVcc1.writea1tothepin10output1TB1TB2Writing“0”toOutputPinP1.XD

QClk

QVccLoad(L1)ReadlatchReadpinWritetolatchInternalCPUbusM1P1.XpinP1.X1.writea0tothepin01output0TB1TB238jiahaolai@Reading“High”atInputPinD

QClk

QVccLoad(L1)ReadlatchReadpinWritetolatchInternalCPUbusM1P1.XpinP1.X2.MOVA,P1externalpin=Highwritea1tothepinMOVP1,#0FFH103.Readpin=1Readlatch=0Writetolatch=11TB1TB2Reading“Low”atInputPinD

QClk

QVccLoad(L1)ReadlatchReadpinWritetolatchInternalCPUbusM1P1.XpinP1.X2.MOVA,P1externalpin=Lowwritea1tothepinMOVP1,#0FFH103.Readpin=1Readlatch=0Writetolatch=10TB1TB2ReadingtheLatchD

QClk

QVccLoad(L1)ReadlatchReadpinWritetolatchInternalCPUbusM1P1.XpinP1.X4.P1.X=12.CPUcomputeP1.XOR1001.Readpin=0Readlatch=1Writetolatch=0(AssumeP1.X=0initially)1TB1TB23.writeresulttolatchReadpin=0Readlatch=0Writetolatch=110这个演示执行指令ORLP1,#0FFH的类似情况读端口指令有两类：读端口锁存器指令、读端口引脚指令。读锁存器指令是这样一些指令，它们读入端口锁存器的值，可能改变它，并将其重新写入端口锁存器，这些指令称为“读-修改-写”指令。如果目标操作数为一个端口或端口位，指令是读锁存器而不是读引脚；如果端口或端口位作为源操作数，则指令为读引脚。2.6.2读-修改-写特性下面列出可能的“读-修改-写”指令：ANL(逻辑与，例如，ANLP1,A)

ORL(逻辑或，例如，ORLP2,A)XRL(逻辑异或，例如，XRLP3,A)JBC(若目标位置位则跳转并将目标位清零，例如，JBCP1.1,LABEL)CPL(求补,例如,CPLP3.0)INC(增量指令,例如,INCP2)DEC(减量指令,例如,DECP2)DJNZ(目标寄存器减1后不为零则跳转,例如,DJNZP3,LABEL)MOVPX.Y,C(将进位位送入端口位)CLRPX.Y(清除端口位)SETBPX.Y(置位端口位)最后三条指令看上去不像读-修改-写指令，但它们正是这类指令。这些指令读端口的全部8位，然后修改指定位，再将其写回端口锁存器。读-修改-写指令指向锁存器而不是引脚其理由是为了避免误解引脚上的电平。例如，端口位可能用于驱动晶体管的基极。在写1至该位时，晶体管导通，若随后CPU读该引脚而不是读锁存器，则将读回晶体管的基极电压，将其解释为逻辑0；读该锁存器而不是引脚将返回正确逻辑值1。2.6.3I/O口应用要点P0口通常作为单片机的低字节地址／数据复用线，分时使用，即构成A7～A0地址线和数据总线(DB)用。

P2口一般作为高8位地址线A15～A8。P1口一般情况下作为通用的I/O口使用。P3口在以下的情况下作为第二功能使用：串行通信使用，外部中断使用；定时器/计数器使用；扩展外部RAM时使用,控制信号。除上述情况外，则可以当作I/O引脚用。当某一引脚作为输入前，必须使引脚置“1”。复位后，四个口的32个引脚均为高电平（置1）,故在用户的初始化程序中，应该考虑连接在这些管脚的外部电路的初始状态是否符合要求。各个口由于输出结构不同，带负载能力也不同。P0是真正的三态输出，每一个引脚可驱动8个TTL门电路，而其他三个口的输出级均有上拉电阻，每个引脚可驱动4个TTL门电路。D74LS373ALEP0.0P0.7PSENA0A7D0D7P2.0P2.7A8A15OEOCEAG8051ROM下面给出8051单片机和ROM连接时的信号流程，和RAM连接时的信号流向是类似的。ReadingROM(1/2)D74LS373ALEP0.0P0.7PSENA0A7D0D7P2.0P2.7A8A12OEOCEAG8051ROM1.SendaddresstoROM2.74373latchestheaddressandsendtoROMAddressReadingROM(2/2)D74LS373ALEP0.0P0.7PSENA0A7D0D7P2.0P2.7A8A12OEOCEAG8051ROM2.74373latchestheaddressandsendtoROMAddress3.ROMsendtheinstructionback2.78051时钟电路与时序时钟电路用于产生8051单片机工作所必需的时钟信号。在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。片内时钟方式2.7.18051时钟电路片外时钟方式外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片8051单片机同时工作，以便于同步。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。2.7.28051单片机的时序时序的定时单位

8051的时序定时单位有4个：节拍、状态、机器周期和指令周期。节拍P

节拍P又称为振荡周期，分为P1节拍和P2节拍，节拍的宽度为振荡器输出的振荡信号的周期。P1节拍通常用来完成算术逻辑操作，P2节拍通常用来完成内部寄存器之间的数据传送。如果振荡信号是采用内部时钟方式产生的，节拍的宽度就是晶振的振荡周期。如12MHz晶振其振荡周期为1/12uS。

状态S

规定一个状态包含两个节拍，状态的前半个周期对应的节拍称为P1，后半个周期对应的节拍称为P2。机器周期

如果将一条指令的执行划分为几个基本操作，则完成一个基本操作所需要的时间即机器周期。规定6个状态为一个机器周期，依次表示为S1~S6。由于一个状态包含两个节拍，因此一个机器周期包含12个节拍，表示为：S1P1、S1P2、…、S6P1、S6P2,如图2-9所示。

8051CPU时序图2-98051单片机时序定义

由图2-9可知，8051的每个机器周期包含6个状态周期，每个状态周期划分为2个节拍，分别对应着2个节拍时钟有效期间。

一个机器周期包含12个振荡器周期，由S1P1(状态1拍1)一直到S6P2（状态6拍2），每个节拍持续一个振荡器周期，每个状态持续2个振荡器周期。

若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期恰为1μS。

指令周期

指令周期定义为执行一条指令所需要的时间。指令周期根据所执行指令的不同，可包含1~4个机器周期。晶振频率越低，指令执行时间越长。根据指令代码的长度，可将指令分为单字节指令、双字节指令、三字节指令和四字节指令。执行这些不同长度的指令所需要的机器周期数也是不同的，有单字节单周期指令、双字节单周期指令、单字节双周期指令、双字节双周期指令、3字节双周期指令和单字节4周期指令（单字节的乘除指令）。2.单片机的指令执行过程一条指令的执行过程分为读取指令和执行指令两个阶段。读取指令阶段是根据程序计数器PC所指示的地址，从程序存储器中读出指令代码并送至指令寄存器IR中，进入执行指令阶段，将指令寄存器lR中的指令代码送至译码器译码，产生相应的控制信号以完成指令的执行。3.单字节单周期指令时序对于单字节单周期指令，从读取指令代码到完成指令的执行只需要一个机器周期，其时序如图2-10（a）所示。图2-10（a）8051单字节/双字节单周期指令时序在低字节地址锁存允许信号ALE第一次有效（S1P2）时，指令代码从程序存储器中读出并被送至指令寄存器IR中，从S1P2开始执行指令，到第一个机器周期结束时完成指令的执行。由于是单字节指令，因此在ALE第二次有效（S4P2)时读取的指令代码将被丢弃，同时程序计数器PC的内容也不加1。从上图中看到，一个机器周期里ALE有效信出现了两次，这意味着在一个机器周期内可以读取两次程序存储器中所存储的指令代码，提高了处理速度。4．双字节单周期指令的时序

图2-10（a）下部为典型双字节单周期指令时序。ALE第一次有效时读出指令代码的第1个字节，ALE第二次有效时读出指令代码的第2个字节。与单字节单机器周期指令不同的是，对于双字节单周期指令，两次读取的指令代码均有效，并在一个机器周期的S6P2结束时完成指令的执行。

5.单字节双周期指令的时序图2-10（b）8051单字节双单周期指令时序2.8复位操作和复位电路

2.8.1复位复位是单片机的初始化操作。上电时，单片机需要复位操作，称为上电复位；运行过程中，单片机受到干扰后程序跑飞，进入死循环，需要复位，以重新启动运行。上电复位：

只要RST引脚(8051PIN9)处至少保持(晶体起振时间+2个机器周期(24个振荡器周期))的高电平就可实现复位。在RST端出现高电平后的第2个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变低。复位后，各内部寄存器的状态如表2-5所示。内部复位算法写0至除端口锁存器、堆栈指针和SBUF之外的所有SFR。端口锁存器初始化为0FFH,栈指针为07H,而SBUF不确定。内部RAM不受复位影响。上电时RAM内容不确定。表2-78051复位后寄存器的值寄存器内容寄存器内容PC0000HTCON00HACC00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0～P30FFHTH200HIP（8051）XXX00000BTL200HIP（8052）XX000000BRLDH00HIE（8051）0XX00000BRLDL00HIE（8052）0X000000BSCON00HTMOD00HSBUF不定PCON（HMOS）0XXXXXXXBPCON（CHMOS）0XXX0000B2.8.28051的复位电路上电复位电路上电和手动复位电路注意: 1.上电时,晶体起振时间取决于晶体频率 2.复位期间,端口的状态是不确定的。 3.上电时,无效的复位将导致CPU从不确定的地

址开始执行程序。

2.8.3看门狗复位（Watchdog）单片机应用系统一般应用于工业现场，虽然单片机本身具有很强的抗干扰能力，但仍然存在系统由于受到外界干扰使所运行的程序失控引起程序“跑飞”的可能性，从而使程序陷入“死循环”，这时系统将完全瘫痪。如果操作者在场，可以通过人工复位的方式强制系统复位，但操作者不可能一直监视着系统，即使监视着系统，也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。为此常采用程序监视技术，就是俗称的“看门狗”(WatchDog)技术。测控系统的应用程序往往采用循环方式运行，每一次循环运行的时间基本固定。“看门狗技术”就是不断监视程序运行的循环时间，如果出现运行时间超过设定的循环时间，则产生复位信号，强制系统复位。这好比是主人养了一条狗，主人在正常工作的时候总是不忘每隔一段固定时间就给狗吃点东西，狗吃过东西就安静下来，不影响主人工作。如果主人打磕睡，到一定时间，狗饿了，就会大叫起来，把主人吵醒。WDT定时器计满后,将在RST引脚上产生复位信号，这个复位高电平脉冲宽度为98个振荡周期(AT89S52)。此时,复位引脚输出信号。详见第8章。图2-12为8051单片机复位时序图。图2-12为8051单片机复位时序图外部复位信号与内部时钟异步：在每个机器周期的S5P2对RST管脚采样。在采样到RST管脚的逻辑1以后，端口管脚保持当前活动19个振荡器周期。也就是说，在复位信号加到RST上后的19到31个振荡器周期内端口管脚保持当前活动。在RST管脚为高电平时，ALE和/PSEN为弱上拉。在RST被拉为低电平之后，需1到2个机器周期ALE和/PSEN才开始正常工作。由于这个原故，其它器件不能与8051的内部时序同步。其它器件应在8051复位后开始工作时全部复位完毕。2.9低工耗模式:空闲模式和掉电模式为了降低单片机运行时的功率消耗，8051CMOS型单片机提供了“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式，所以单片机除了正常的程序工作方式外，还可以用低功耗工作方式(又称节电方式)运行。以AT89S52为例，采用12MHz晶体振荡器，VCC=4.0~5.5V