《单片机技术及 仿真与应用》-2

２.１ＣＰＵ单元１.运算器运算器由可进行８位算术／逻辑运算的ＡＬＵ单元，８位的累加器ＡＣＣ，寄存器Ｂ，８位的暂存器１（ＴＭＰ１）、暂存器２（ＴＭＰ２）和程序状态寄存器ＰＳＷ组成。算术／逻辑运算单元ＡＬＵ：可对４位（半字节）、８位（１字节）和１６位（２字节）的数据进行加、减、乘、除、加１、减１、ＢＣＤ数十进制调整等算术运算，也可进行与、或、异或、求补、循环移位等逻辑操作。累加器ＡＣＣ：用于向ＡＬＵ提供操作数和存放运算结果。运算时将操作数经暂存器２（ＴＭＰ２）送至ＡＬＵ，与来自暂存器１（ＴＭＰ１）的操作数在ＡＬＵ中进行运算，运算结果又送回ＡＣＣ。下一页返回２.１ＣＰＵ单元此外，ＡＣＣ在５１单片机内部经常作为数据传送中转站，是微处理器中最繁忙的一个寄存器。在５１汇编指令中用助记符Ａ来表示。２.控制器控制器由指令寄存器ＩＲ、指令译码器ＩＤ和控制逻辑电路组成。指令寄存器ＩＲ：保存当前正在执行的一条指令，当执行一条指令时，先把指令从程序存储器（ＲＯＭ）中取到指令寄存器ＩＲ中。指令内容含操作码和地址码两部分，操作码送往指令译码器ＩＤ，形成相应的微操作控制信号；地址码送往操作数地址形成电路，形成实际操作数地址。上一页下一页返回２.１ＣＰＵ单元３.程序计数器ＰＣ程序计数器ＰＣ是一个１６位寄存器，由两个８位的计数器ＰＣＨ及ＰＣＬ组成（但ＰＣ不属于特殊功能寄存器ＳＦＲ的空间，其不可寻址）。程序运行过程中，ＣＰＵ把ＰＣ的内容作为地址，从程序存储器（ＲＯＭ）中取出指令码，取完后，ＰＣ内容自动加１。所以，ＰＣ实际上是程序的字节地址自动加１计数器，ＰＣ中的内容是将要执行的下一条指令的地址，改变ＰＣ的内容就可改变程序执行的方向。因此，在执行程序跳转或中断时，给ＰＣ置入新的地址即可，在子程序返回时，将断点处的下一个地址值置入ＰＣ就完成了中断返回功能。上一页返回２.２５１单片机存储器的配置在一般微机的存储器配置中，ＲＯＭ和ＲＡＭ可以随意安排在一个地址范围内，ＣＰＵ访问存储器时，其地址对应的存储器单元，可以是ＲＯＭ，也可以是ＲＡＭ，并不区分访问ＲＯＭ和ＲＡＭ类的指令，即用同类访问指令，此种存储器结构称为普林斯顿结构。从本节以后，将程序存储器简称为ＲＯＭ，数据存储器简称为ＲＡＭ，不再另外说明。２.２.１程序存储器ＲＯＭ空间ＲＯＭ用于存放编好的程序和表格常数。ＲＯＭ通过１６位程序计数器寻址，寻址能力为６４ＫＢ。这使得指令能在６４ＫＢ地址空间内任意跳转，但不能使程序从ＲＯＭ空间转移到ＲＡＭ空间。下一页返回２.２５１单片机存储器的配置当引脚ＥＡ接低电平（接地）时，５１单片机片内ＲＯＭ不起作用，ＣＰＵ只能从片外ＲＯＭ中取指令，地址可以从００００Ｈ开始编址。这种接法适用于８０３１单片机。由于８０３１片内不带ＲＯＭ，所以使用时必须使ＥＡ＝０，以便能够从片外扩展ＲＯＭ中读取指令。５１单片机从片内ＲＯＭ和片外ＲＯＭ取指令时，执行速度相同。５１单片机的ＲＯＭ配置如图２.２所示。ＲＯＭ低地址的４０多个单元是留给系统使用的，见表２.１。存储单元００００Ｈ～０００２Ｈ用作５１单片机上电复位后引导程序的存放单元。因为５１单片机上电复位后程序计数器的内容为００００Ｈ，所以ＣＰＵ总是从００００Ｈ开始执行程序。如果在这３个单元中存有转移指令，那么程序就被引导到转移指令指定的ＲＯＭ空间去执行。０００３Ｈ～００２ＡＨ单元均匀地分为５段，每段８字节，用作５个中断服务程序的入口。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置例如，当外部中断引脚ＩＮＴ０（Ｐ３.２）有效时，即引起中断申请，ＣＰＵ响应中断后自动将地址０００３Ｈ装入ＰＣ，程序就自动转向０００３Ｈ单元开始执行。如果事先在０００３Ｈ～０００ＡＨ存有引导（转移）指令，程序就被引导（转移）到指定的中断服务程序空间去执行。这里，０００３Ｈ称为中断矢量地址，相应５１单片机的５个中断矢量地址均可在表２.１中找到。当５１单片机片内４ＫＢＲＯＭ容量不够时，可选择８ＫＢ、１６ＫＢ、３２ＫＢ的８９Ｃ５２、８９Ｃ５４、８９Ｃ５８等单片机。但应尽量避免外扩ＲＯＭ空间而增加硬件的负担。在极特殊的情况２６下，才应外扩ＲＯＭ空间执行外部程序。执行外部程序时的硬件连接如图２.３所示。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置２.２.２数据存储器ＲＡＭ空间数据存储器ＲＡＭ用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。ＲＡＭ也分为片内和片外两大部分，即片内ＲＡＭ和片外ＲＡＭ。５１单片机片外ＲＡＭ为６４ＫＢ，地址从００００Ｈ～ＦＦＦＦＨ；片内存储器空间为２５６Ｂ，地址从００００Ｈ～００ＦＦＨ。１.片外ＲＡＭ如图２.２所示，片外ＲＡＭ与片内ＲＡＭ空间的低地址部分（００００Ｈ～００ＦＦＨ）是重叠的，５１单片机有ＭＯＶ和ＭＯＶＸ两种指令，用以区分片内、片外ＲＡＭ空间。片内ＲＡＭ使用ＭＯＶ指令，片外６４ＫＢＲＡＭ空间专门为ＭＯＶＸ指令（使引脚ＲＤ或ＷＲ信号有效）所用。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置图２.４所示是访问２ＫＢ片外ＲＡＭ时的硬件连接图。在这种情况下，ＣＰＵ执行片内ＲＯＭ中的指令（ＥＡ接ＶＣＣ）。Ｐ０口用作ＲＡＭ的地址／数据总线，Ｐ２口中的３位也作为ＲＡＭ的页面地址。访问片外ＲＡＭ期间，ＣＰＵ根据需要发送ＲＤ和ＷＲ信号。２.片内ＲＡＭ片内ＲＡＭ最大可寻址２５６个单元，它们又分为两部分：低１２８字节（００Ｈ～７ＦＨ）是真正的ＲＡＭ区；高１２８字节（８０Ｈ～ＦＦＨ）为特殊功能寄存器（ＳＦＲ）区。如图２.５所示。低１２８字节和高１２８字节ＲＡＭ中的配置及含义如图２.６和图２.７所示。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置００Ｈ～１ＦＨ地址安排为４组工作寄存器区，每组有８个工作寄存器（Ｒ０～Ｒ７），共占３２个单元，见表２.２。通过对程序状态字ＰＳＷ中ＲＳ１、ＲＳ０的设置，每组寄存器均可选作ＣＰＵ的当前工作寄存器组。若程序中并不需要４组，那么其余可用作一般ＲＡＭ单元。ＣＰＵ复位后，选中第０组寄存器为当前的工作寄存器。２）高１２８字节ＲＡＭ———特殊功能寄存器（ＳＦＲ）５１单片机片内高１２８字节ＲＡＭ中，有２１个特殊功能寄存器（ＳＦＲ），它们离散地分布在８０Ｈ～ＦＦＨ的ＲＡＭ空间中。这些特殊功能寄存器如图２.７所示。各ＳＦＲ的名称及含义如表２.３所示。在这２１个特殊功能寄存器中，１１个具有位寻址能力，其字节地址正好能被８整除，其地址分布见表２.３。在５１单片机中，寄存器只是ＣＰＵ里特定地址的数据存储器而已。若使用汇编编程，必须熟练掌握；若使用Ｃ语言编程，则不太重要。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置下面介绍部分特殊功能寄存器，其余将在后续章节中讲述。（１）累加器ＡＣＣ（Ｅ０Ｈ）。累加器ＡＣＣ是５１单片机最常用、最忙碌的８位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自ＡＣＣ，许多运算中间结果也存放于ＡＣＣ。在指令系统中用Ａ作为累加器ＡＣＣ的助记符。（２）寄存器Ｂ（Ｆ０Ｈ）。在乘、除指令中，用到了８位寄存器Ｂ。乘法指令的两个操作数分别取自Ａ和Ｂ，乘积高位存于Ｂ和低位存于Ａ两个８位寄存器中。除法指令中，Ａ中存放被除数，Ｂ中存放除数，商存放于Ａ，余数存放于Ｂ。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置（３）程序状态寄存器ＰＳＷ（Ｄ０Ｈ）。ＰＳＷ是一个８位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。ＰＳＷ除有确定的字节地址（Ｄ０Ｈ）外，每一位均有位地址，各位的含义及其格式见表２.４。ＲＳ０和ＲＳ１（ＰＳＷ.３和ＰＳＷ.４）：工作寄存器组选择控制位。这两位的值可决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。通过用户用软件改变ＲＳ１和ＲＳ０值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组，其组合关系见表２.５。５１单片机上电复位后，ＲＳ１＝ＲＳ０＝０，ＣＰＵ自动选择第０组为当前工作寄存器组。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置根据需要，可利用传送指令对ＰＳＷ整字节操作或用位操作指令改变ＲＳ１和ＲＳ０的状态，以切换当前工作寄存器组。这样的设置为程序中保护现场提供了方便。（４）堆栈指针ＳＰ（８１Ｈ）。堆栈指针ＳＰ为８位特殊功能寄存器，ＳＰ的内容可指向５１单片机片内００Ｈ～７ＦＨＲＡＭ的任何单元。系统复位后，ＳＰ初始化为０７Ｈ，即指向０７Ｈ的ＲＡＭ单元。５１单片机同一般微处理器一样，设有堆栈。在片内ＲＡＭ中专门开辟出来一个区域，数据的存取是以“后进先出”的结构方式处理数据。这种数据结构方式对于处理中断、调用子程序都非常方便。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置堆栈的操作有两种：一种叫数据压入（ＰＵＳＨ），另一种叫数据弹出（ＰＯＰ）。在图２.８中，假若有８个ＲＡＭ单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针ＳＰ自动管理。每次进行压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈顶部的位置。这些操作可用图２.８说明。（５）数据指针ＤＰＴＲ（８３Ｈ，８２Ｈ）。ＤＰＴＲ是一个１６位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器用ＤＰＨ表示（地址８３Ｈ），低位字节寄存器用ＤＰＬ表示（地址８２Ｈ）。ＤＰＴＲ既可以作为一个１６位寄存器来处理，也可以作为两个独立的８位寄存器ＤＰＨ和ＤＰＬ使用。ＤＰＴＲ主要用于存放１６位地址，以便对６４ＫＢ片外ＲＡＭ作间接寻址。上一页下一页返回２.２５１单片机存储器的配置（６）Ｉ／Ｏ端口Ｐ０～Ｐ３（８０Ｈ，９０Ｈ，Ａ０Ｈ，Ｂ０Ｈ）。除上述２１个ＳＦＲ以外，还有一个１６位的ＰＣ，在２.１节中曾提到过，且不可寻址的。图２.９所示为各个ＳＦＲ所在的字节地址位置。空格部分为未来设计新型芯片可定义的ＳＦＲ位置。上一页返回２.３时序与复位２.３.１时序分析５１系列单片机与其他微机一样，从ＲＯＭ中取指令和执行指令过程中的各种微操作，都是按着节拍工作的。５１单片机片内有一个节拍发生器用来提供工作节拍，即片内的振荡脉冲电路。在５１系列单片机的１１１条指令里，除了执行乘法与除法指令需要４个机器周期外，其余指令都能在１个或２个机器周期执行完毕。尽管如此，有些指令的长度为１Ｂ，有些为２Ｂ，还有少数指令为３Ｂ。对于不同的指令，ＣＰＵ如何读取与执行呢？其工作时序如图２.１０所示。首先是地址锁存使能引脚ＡＬＥ，每个机器周期送出两个脉冲（分别是在Ｓ１及Ｓ４时），以锁存Ｐ０输出的地址（Ａ０～Ａ７），ＣＰＵ进行读取存储器的动作。对于不同的指令类型，其动作分别说明如下。下一页返回２.３时序与复位（１）１个机器周期、１Ｂ的指令，如ＣＬＲＣ指令，在Ｓ１时读取指令，在Ｓ６时执行完毕；而在Ｓ４时读取下条指令，但并不使用它，直到下个机器周期的Ｓ１时再重新读取下条指令。（２）１个机器周期、２Ｂ的指令，如ＩＮＣｄｉｒｅｃｔ指令，在Ｓ１时读取指令，在Ｓ４时读取第二个字节，在Ｓ６时执行完毕。在下个机器周期的Ｓ１时读取下条指令，以此类推。（３）２个机器周期、１Ｂ的指令，如ＲＥＴ指令，在Ｓ１时读取指令，而在Ｓ４及下个机器周期的Ｓ１、Ｓ４时分别读取下条指令，由于指令尚未执行完毕，所以这三个阶段的指令读取都会被放弃。直到第二个机器周期的Ｓ６，指令执行完毕后，ＣＰＵ才会在第三个机器周期的Ｓ１重新读取下条指令，才是有效的读取。上一页下一页返回２.３时序与复位（４）另外一种２个机器周期、１Ｂ的指令为存取外部存储器数据的指令，即ＭＯＶＸ指令。２.３.２时序单位５１单片机的基本时序定时单位有４个，即振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期，将它们分别介绍如下。（１）振荡周期：晶体振荡器的频率为ｆｏｓｃ，其倒数是晶振的振荡周期，为最小的时序单位。（２）状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内ＣＰＵ的时钟周期。因此，状态周期也称时钟周期，其包含２个振荡周期。上一页下一页返回２.３时序与复位（３）机器周期（ＭＣ）：１个机器周期由６个状态周期即１２个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。（４）指令周期：执行一条指令所需的时间。一个指令周期含１～４个机器周期，依据指令不同而不同。４个时序单位从小到大依次是节拍（振荡脉冲周期，１／ｆｏｓｃ）、状态周期（时钟周期）、机器周期和指令周期，如图２.１１所示。上一页下一页返回２.３时序与复位２.３.３复位５１系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使ＣＰＵ及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。如其中的功能之一是把ＰＣ初始化为００００Ｈ，使单片机从００００Ｈ单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也须按复位键重新启动。除ＰＣ之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表２.６所示，表中的符号意义如下：Ａ＝００Ｈ：表明累加器已被清０。ＰＳＷ＝００Ｈ：表明选寄存器０组为工作寄存器组。ＳＰ＝０７Ｈ：表明堆栈指针指向片内ＲＡＭ０７Ｈ字节单元，根据堆栈操作的先加后减法则，第一个被压入的数据被写入０８Ｈ单元中。上一页返回２.４节电方式图２.１２所示为实现这两种方式的内部电路。从图中可见，若ＩＤＬ＝０，则５１单片机将进入空闲运作方式。在这种方式下，振荡器仍继续运行，但ＩＤＬ封锁了去ＣＰＵ的“与”门，故ＣＰＵ此时得不到时钟信号。而中断、串行口和定时器等环节却仍在时钟控制下正常运行。掉电方式下（ＰＤ＝０），此时完全不提供时钟脉冲，振荡器冻结，功率损耗降至最低。图２.１２中，ＰＤ和ＩＤＬ均为ＰＣＯＮ中ＰＤ和ＩＤＬ触发器的Ｑ输出端。空闲方式和掉电方式是通过对ＳＦＲ中的ＰＣＯＮ（地址８７Ｈ）相应位置１而启动的，如图２.１３所示，其中各符号的名称和功能如下。返回２.５输入／输出端口２.５.１Ｐ０口Ｐ０为８位、可位寻址的输入／输出端口，图２.１４为其中一位的内部结构，其特点说明如下。（１）Ｐ０的８位皆为漏极开路输出（ＯｐｅｎＤｒａｉｎ，ＯＤ），每个引脚可驱动８个ＬＳ型ＴＴＬ负载。（２）Ｐ０内部无上拉电阻，执行输出功能时，外部必须接上拉电阻（１０ｋΩ即可）。（３）若要执行输入功能，必须先输出高电平“１”才能读取该口所连接的外部数据。（４）若系统连接外部存储器，则Ｐ０可作为地址总线（Ａ０～Ａ７）及数据总线（Ｄ０～Ｄ７）的复用引脚，此时内部具有上拉电阻，不用外接。下一页返回２.５输入／输出端口２.５.２Ｐ１口Ｐ１为８位、可位寻址的输入／输出端口，图２.１５为其中一位的内部结构，其特点说明如下。（１）Ｐ１内部具备约３０ｋΩ上拉电阻，执行输出功能时，无须连接外部上拉电阻。（２）Ｐ１的８位类似于漏极开路输出（ＯＤ），但已内接上拉电阻，每个引脚可驱动４个ＬＳ型ＴＴＬ负载。（３）若要执行输入功能，必须先输出高电平“１”才能读取该口所连接的外部数据。上一页下一页返回２.５输入／输出端口（４）若是８０５２／８０３２，则Ｐ１.０兼具Ｔｉｍｅｒ２的外部脉冲输入功能（即Ｔ２），Ｐ１.１兼具Ｔｉｍｅｒ２的捕捉／重新加载的触发输入功能（即Ｔ２ＥＸ）。（５）若是８９Ｓ５１／８９Ｓ５２，进行在线刻录（ＩＳＰ，在系统编程）时，其中的Ｐ１.５作为ＭＯＳＩ之用，Ｐ１.６作为ＭＩＳＯ之用，Ｐ１.７作为ＳＣＫ之用。２.５.３Ｐ２口Ｐ２为８位、可位寻址的输入／输出端口，图２.１６为其中一位的内部结构，Ｐ２的特点说明如下。上一页下一页返回２.５输入／输出端口２.５.４Ｐ３