数字电子基础技术应用 18

MCU片内集成存储器及接口的优势

CPU对存储器和I/O端口的编址等西安交通大学电气工程学院宁改娣

博士

教授MCU内部结构框架CPU访问的外部器件：1）存储器2）MCU片内、外I/O接口中的寄存器（I/O端口）2026/1/30掩膜ROM、SRAM、Flash等FunctionalBlockDiagram,MSP430G2x532026/1/3012.4CPU对存储器及I/O端口的编址方式CPU配备存储器和一些外设I/O接口电路，才构成一个完整数字系统。不同CPU对存储器和I/O接口地址配置及访问方式不同。CPU要访问的硬件一般可归类为：存储器和I/O接口中的寄存器两大类。2026/1/3012.4CPU对存储器及I/O端口的编址方式CPU配备存储器和一些外设I/O接口电路，才构成一个完整数字系统。不同CPU对存储器和I/O接口地址配置及访问方式不同。CPU要访问的硬件一般可归类为：存储器和I/O接口中的寄存器两大类。2026/1/3012.4.1CPU对存储器的编址方式程序和数据存储器的地址配置冯﹒诺依曼结构——如通用计算机，ARM7、MIPS等。假设某处理器地址16位，示意如右图：指令相同！2026/1/3012.4.1CPU对存储器的编址方式程序和数据存储器的地址配置哈佛结构——如51、PIC、MC68单片机，TIDSP，由控制总线区分重叠空间，比如51的PSEN、RD和WR。假设某处理器地址16位，示意如右图：指令不同！控制信号不同2026/1/30为什么MCU片内集成越来越多种类、大容量存储器？硬件结构上更简单（AB、DB、CB片内连接，当然地址确定），用户不用设计，省事可靠性高种类多（掩膜ROM、Flash、RAM等），使用方便系统集成度更高→SOC2026/1/30为什么MCU片内集成越来越多外设接口电路？外设——即MCU片外的输入和输出设备。输入设备（如，键盘、鼠标、开关等）和输出设备（显示器、打印机、LED等）。接口电路（I/O接口）集成到MCU片内的作用与存储器也类似，提高可靠性和系统集成度、方便用户等。ADCI/O接口是CPU与外设的中转站、进行信号和速度匹配。（如，GPIO，方便控制LED、开关等）I/O接口使外设不依赖、不影响CPU。便于标准化！（比如，通过各种串口与对应接口产品的数据交换）2026/1/30I/O接口的可访问寄存器（称为I/O端口）无论I/O接口电路复杂程度如何，CPU与I/O接口交换的信息都可以分为三类：数据信息，数字信息是两者之间要传送的数据，如，PxIN；状态信息，状态信息主要用来反映I/O设备当前的状态，比如ADC转换是否结束？输出设备是否处于忙状态等；控制信息，控制信息是CPU通过I/O接口来控制I/O设备的操作，是向外设传送的控制命令，比如，GPIO的PxDIR。三种信息都是以数据形式存放在I/O接口电路的寄存器中，不同接口中的数据、控制和状态寄存器的多少、位数、含义是不同的。比如，定时器、ADC等。2026/1/30MCU片内集成的各I/O端口总结MCU片内I/O接口都是可编程的，对控制寄存器编程MCU出厂内部I/O端口的地址是确定的用户要使用接口必须清楚接口原理、I/O端口控制寄存器各位含义、I/O端口地址等等GPIO结构中的PxIN、PxOUT、PxDIR等都是I/O端口2026/1/3012.4.2CPU对I/O端口的编址方式MCU片外的独立I/O接口，一般情况下，需要地址译码电路产生区分不同芯片的信号。ChipSelect，片内接口也类似。只是电路连接及地址都已确定！用户不能改变，比如，PxDIR。2026/1/30比如，片外I/O接口8255——有4个I/O端口

片外接口需要接地址数据控制线，片内接口已接好！I/O端口是指接口中能被CPU直接访问(读/写)的寄存器。I/O接口芯片中一般有多个I/O端口，接口芯片就有对应地址线输入引脚，用于区分各端口，这些引脚一般与处理器的地址总线低位地址依次相接。比如，“数电”介绍的早期计算机中的8255接口有4个端口。2026/1/3012.4.2CPU对I/O端口的编址方式无论片内还是片外接口，CPU对I/O端口的编址（或寻址）方式一般有两种：一种是IO端口和数据存储器统一编址，即存储器映射方式；Motorola系列、Apple系列微型机、TI的DSP系列和一些小型机就是采用这种方式。MCS-51系列也属于这种编址方式。空间共享但无需专门IO指令。2026/1/308051存储器组织结构-哈佛结构2026/1/30ProgramSelectEnable）

MOVCMOVX程序引导引脚，EA=0访问片外程序存储器MOVC

思考：2#2764与6264的片选可否同时用Y2端？即两片的地址空间完全相同是否有冲突？2026/1/3012.4.2CPU对I/O端口的编址方式I/O端口的编址方式另一种是I/O和数据存储器分开独立编址，即I/O映射方式。IBM系列、Z-80系列微型机和大型计算机通常采用这种方式。空间独立但需要有专门的IO指令，对应会产生专门的IO控制信号，比如，下页PPT的早期计算机主板接口电路中的IOR、IOW信号。2026/1/30图中IOR和IOW控制信号说明IO是独立编址I/O端口是指接口中能被CPU直接访问(读/写)的寄存器。I/O接口芯片中一般有多个I/O端口，接口芯片就有对应地址线输入引脚，用于区分各端口，这些引脚一般与处理器的地址总线低位地址依次相接。比如，“数电”介绍的早期计算机中的8255接口有4个端口。2026/1/30MSP430G2x53，MSP430G2x13

MemoryOrganization可见存储器是冯•诺依曼结构；端口与存储器是统一编址。2026/1/30GPIO：总结思考CPU出厂后对M和IO编址方式已确定。MCU片内的存储器和IO端口出厂后地址都是确定。用户应用掌握处理器的M配置和IO地址重要！掌握：MSP430G2553程序在哪里存储的？地址空间或范围多大？数据存储器地址范围？容量？2026/1/302.5微控制器建议学习方法集成电路不断朝着SOC(SystemonaChip)的方向发展。微处理器芯片的功能也越来越多，内部结构越来越复杂，这使得基于微处理器的系统设计越来越容易，而掌握和使用微处理器本身却变得越来越难。且更新快（1）学会查找资料（日新月异的处理器无合适的教材）（