單片機(jī)原理：2-3-4-CPU與存儲器

1第2章AT89S51單片機(jī)

硬件結(jié)構(gòu)

2.3AT89S51的CPUCPU由運算器和控制器構(gòu)成。2.3.1運算器對操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯和位操作運算。主要包括算術(shù)邏輯運算單元ALU、累加器A、位處理器、程序狀態(tài)字寄存器PSW及兩個暫存器等。1．算術(shù)邏輯運算單元ALU可對8位變量邏輯運算（與、或、異或、循環(huán)、求補(bǔ)和清零），還可算術(shù)運算（加、減、乘、除）2ALU還有位操作功能，對位變量進(jìn)行位處理，如置“1”、清“0”、求補(bǔ)、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等。2．累加器A使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc?！癆”與“Acc”書寫上的差別，將在第3章介紹。作用如下：（1）ALU單元的輸入數(shù)據(jù)源之一，又是ALU運算結(jié)果存放單元。（2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A，相當(dāng)于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。為解決“瓶頸堵塞”問題，AT89S51增加了一部分可以不經(jīng)過累加器的傳送指令。3A的進(jìn)位標(biāo)志Cy是特殊的，因為它同時又是位處理機(jī)的位累加器3．程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW（ProgramStatusWord）位于片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)，字節(jié)地址為D0H。包含了程序運行狀態(tài)的信息，其中4位保存當(dāng)前指令執(zhí)行后的狀態(tài)，供程序查詢和判斷。格式如圖2-3所示。

圖2-3PSW的格式4PSW中各個位的功能：（1）Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位

可寫為C。在算術(shù)和邏輯運算時，若有進(jìn)位/借位，Cy＝1；否則，Cy＝0。在位處理器中，它是位累加器。（2）Ac（PSW.6）輔助進(jìn)位標(biāo)志位

在BCD碼運算時，用作十進(jìn)位調(diào)整。即當(dāng)D3位向D4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位時，Ac＝1；否則，Ac＝0。（3）F0（PSW.5）用戶設(shè)定標(biāo)志位

由用戶使用的一個狀態(tài)標(biāo)志位，可用指令來使它置1或清0，控制程序的流向。用戶應(yīng)充分利用。5（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4組工作寄存器區(qū)選擇選擇片內(nèi)RAM區(qū)中的4組工作寄存器區(qū)中的某一組為當(dāng)前工作寄存區(qū)見表2-2。（5）OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時，用來指示運算結(jié)果是否產(chǎn)生溢出。如果結(jié)果產(chǎn)生溢出，OV=1；否則，OV=0。（6）PSW.1位

保留位（7）P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位指令執(zhí)行完，累加器A中“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。6P=1，表示A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。

P=0，表示A中“1”的個數(shù)為偶數(shù)。

此標(biāo)志位對串行通信有重要的意義，常用奇偶檢驗的方法來檢驗數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

782.3.2控制器

任務(wù)識別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機(jī)各功能部件，從而保證單片機(jī)各部分能自動協(xié)調(diào)地工作。

控制器包括：程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等。功能是控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，從而對各功能部件進(jìn)行定時和邏輯控制。

程序計數(shù)器PC是一個獨立的16位計數(shù)器，不可訪問。單片機(jī)復(fù)位時，PC中內(nèi)容為0000H，從程序存儲器0000H單元取指令，開始執(zhí)行程序。PC工作過程是：CPU讀指令時，PC的內(nèi)容作為所取指令的地址，程序存儲器按此地址輸出指令字節(jié)，同時PC自動加1。PC中內(nèi)容變化軌跡決定程序流程。當(dāng)順序執(zhí)行程序時自動加1；執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序或子程序、中斷子程序調(diào)用時，自動將其內(nèi)容更改成所要轉(zhuǎn)移的目的地址。PC的計數(shù)寬度決定了程序存儲器的地址范圍。PC為16位，故可對64KB（=216B）尋址。2.4AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)存儲器的結(jié)構(gòu)特點之一是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開（哈佛結(jié)構(gòu)），并有各自的訪問指令。存儲器空間可分為4類。9１.程序存儲器空間片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)4KB

Flash

，編程和擦除完全是電氣實現(xiàn)。可用通用編程器對其編程，也可在線編程。當(dāng)片內(nèi)4KBFlash存儲器不夠用時，可片外擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展至64KB程序存儲器。２.數(shù)據(jù)存儲器空間片內(nèi)與片外兩部分。片內(nèi)有128BRAM（52子系列為256B）。片內(nèi)RAM不夠用時，在片外可擴(kuò)展至64KBRAM

。10３.特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）片內(nèi)各功能部件的控制寄存器及狀態(tài)寄存器。SFR綜合反映了整個單片機(jī)基本系統(tǒng)內(nèi)部實際的工作狀態(tài)及工作方式。４.位地址空間共有211個可尋址位，構(gòu)成了位地址空間。它們位于內(nèi)部RAM（共128位）和特殊功能寄存器區(qū)（共83位）中。2.4.1程序存儲器空間存放程序和表格之類的固定常數(shù)。片內(nèi)為4KB的

Flash，地址為0000H～0FFFH。16位地址線，可外擴(kuò)的程序存儲器空間最大為64KB，地址為0000H～FFFFH。使用時應(yīng)注意以下問題：11（1）分為片內(nèi)和片外兩部分，訪問片內(nèi)的還是片外的程序存儲器，由

引腳電平確定。

=1時，CPU從片內(nèi)0000H開始取指令，當(dāng)PC值沒有超出0FFFH時，只訪問片內(nèi)Flash存儲器，當(dāng)PC值超出0FFFH自動轉(zhuǎn)向讀片外程序存儲器空間1000H～FFFFH內(nèi)的程序。=0時，只能執(zhí)行片外程序存儲器（0000H～FFFFH）中的程序。不理會片內(nèi)4KBFlash存儲器。（2）程序存儲器某些固定單元用于各中斷源中斷服務(wù)程序入口。121364KB程序存儲器空間中有5個特殊單元分別對應(yīng)于5個中斷源的中斷入口地址，見表2-3。通常這5個中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)子程序，而不是直接存放中斷服務(wù)子程序。2.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間可分片內(nèi)與片外兩部分。１.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）共128個單元，字節(jié)地址為00H～7FH。圖2-4為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)。14圖2-4AT89S51片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)00H～1FH

的32個單元是4組通用工作寄存器區(qū)，每區(qū)包含8B，為R7～R0?？赏ㄟ^指令改變RS1、RS0兩位來選擇。20H～2FH的16個單元的128位可位尋址，也可字節(jié)尋址。30H～7FH的單元只能字節(jié)尋址，用作存數(shù)據(jù)以及作為堆棧區(qū)。２.片外數(shù)據(jù)存儲器當(dāng)片內(nèi)128B的RAM不夠用時，需外擴(kuò)，最多可外擴(kuò)64KB的RAM。注意，片內(nèi)RAM與片外RAM兩個空間是相互獨立的，片內(nèi)RAM與片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會發(fā)生沖突。152.4.3特殊功能寄存器（SFR）采用特殊功能寄存器集中控制各功能部件。特殊功能寄存器映射在片內(nèi)RAM的

80H～FFH區(qū)域中，共26個。表2-4SFR的名稱及其分布。有些還可位尋址，位地址見表2-4。與AT89C51相比，新增5個SFR：DP1L、DP1H、AUXR、AUXR1和WDTRST，已在表2-4中標(biāo)出。凡是可位尋址的SFR，字節(jié)地址末位只能是0H或8H。另外，若讀/寫未定義單元，將得到一個不確定的隨機(jī)數(shù)。下面介紹某些SFR，余下的SFR將在后面介紹。1617181．堆棧指針SP指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置。堆棧結(jié)構(gòu)—向上生長型。單片機(jī)復(fù)位后，SP為07H，使得堆棧實際上從08H單元開始，由于08H～1FH單元分別是屬于1～3組的工作寄存器區(qū)，最好在復(fù)位后把SP值改置為60H或更大的值，避免堆棧與工作寄存器沖突。堆棧是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)，主要用來保護(hù)斷點和現(xiàn)場。（1）保護(hù)斷點。無論是子程序調(diào)用操作還是中斷服務(wù)子程序調(diào)用，最終都要返回主程序。應(yīng)預(yù)先把主程序的斷點在堆棧中保護(hù)起來，為程序正確返回做準(zhǔn)備。19（2）現(xiàn)場保護(hù)。執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)子程序時，要用到一些寄存器單元，會破壞原有內(nèi)容。要把有關(guān)寄存器單元的內(nèi)容保存起來，送入堆棧，這就是所謂的“現(xiàn)場保護(hù)”。兩種操作：數(shù)據(jù)壓入（PUSH）堆棧，數(shù)據(jù)彈出（POP）堆棧。數(shù)據(jù)壓入堆棧，SP自動加1；數(shù)據(jù)彈出堆棧，SP自動減1。2．寄存器B為執(zhí)行乘法和除法而設(shè)。在不執(zhí)行乘、除法操作的情況下，可把它當(dāng)作一個普通寄存器來使用。2021乘法，兩乘數(shù)分別在A、B中，執(zhí)行乘法指令后，乘積在BA中除法，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商存放在A中，余數(shù)存B中。3．AUXR寄存器AUXR是輔助寄存器，其格式如圖2-5所示：圖2-5

AUXR寄存器的格式22其中:DISALE：ALE的禁止/允許位。0：ALE有效，發(fā)出脈沖；1：ALE僅在執(zhí)行MOVC和MOVX類指令時有效，不訪問外部存儲器時，ALE不輸出脈沖信號。DISRTO：禁止/允許WDT溢出時的復(fù)位輸出。0：WDT溢出時，在RST引腳輸出一個高電平脈沖；1：RST引腳僅為輸入腳。WDIDLE：WDT在空閑模式下的禁止/允許位。0：

WDT在空閑模式下繼續(xù)計數(shù)；1：

WDT在空閑模式下暫停計數(shù)。234.數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1雙數(shù)據(jù)指針寄存器，便于訪問數(shù)據(jù)存儲器。DPTR0：AT89C51單片機(jī)原有的數(shù)據(jù)指針；DPTR1：新增加的數(shù)據(jù)指針。AUXR1的DPS位用于選擇兩個數(shù)據(jù)指針。當(dāng)DPS=0時，選用DPTR0；當(dāng)DPS=1時，選用DPTR1。數(shù)據(jù)指針可作為一個16位寄存器來用，也可作為兩個獨立的8位寄存器DP0H（或DP1H）和DP0L（或DP1L）來用。245.AUXR1寄存器AUXR1是輔助寄存器，格式如圖2-6所示：DPS：數(shù)據(jù)指針寄存器選擇位。0：選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR0；1：選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR1。圖2-6

AUXR1寄存器的格式6.看門狗定時器WDTWDT包含一個14位計數(shù)器和看門狗定時器復(fù)位寄存器——WDTRST）。當(dāng)CPU由于干擾，程序陷入死循環(huán)或跑飛狀態(tài)時，WDT提供了一種使程序恢復(fù)正常運行的有效手段。有關(guān)WDT在抗干擾設(shè)計中的應(yīng)用以及低功耗模式下運行的狀態(tài)，將在相應(yīng)的章節(jié)中具體介紹。上面介紹的特殊功能寄存器，除了前兩個SP和B以外，其余的均為AT89S51在AT89C51基礎(chǔ)上新增加的SFR。252.4.4位地址空間211個尋址位的位地址，位地址范圍為00H～FFH，其中00H～7FH

這128位處于片內(nèi)RAM字節(jié)地址20H～2FH

單元中，如表2-5所示。其余的83個可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中，見表2-6?？杀晃粚ぶ返奶厥饧拇嫫饔?1個，共有位地址88個，5個位未用，其余83個位的位地址離散地分布于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器區(qū)字節(jié)地址為80H～FFH的范圍內(nèi)，其最低的位地址等于其字節(jié)地址，且其字節(jié)地址的末位都為0H或8H。2627片內(nèi)字節(jié)地址為2AH單元最低位的位地址是

；答：50H2AH-20H=0AH位地址A*8=80＝50H

內(nèi)部RAM中，位地址為40H的位，該位所在的字節(jié)地址為

。答：28Hx(B_addr)=y(b_adrr)/8+20Hx=64/8+20H