解析80C51單片機(jī)中的cpu、存儲器配置以及并行輸入/輸出口

單片機(jī)按存儲結(jié)構(gòu)可分為二類：一類是哈佛結(jié)構(gòu)，另一類是普林斯頓結(jié)構(gòu)。

①哈佛結(jié)構(gòu)所謂哈佛結(jié)構(gòu)是指程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間分開的單片機(jī)結(jié)構(gòu)，如80C51單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，所以80C51單片機(jī)的程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間是分開的，各有64K存儲空間。

②普林斯頓結(jié)構(gòu)所謂普林斯頓結(jié)構(gòu)是指程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間合并的單片機(jī)結(jié)構(gòu)，如MCS-96單片機(jī)采用普林斯頓結(jié)構(gòu)，所以MCS-96單片機(jī)的程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間是合并的，共有64K存儲空間。

1．單片機(jī)的CPU

圖1是80C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。若除去圖中的存儲器電路和I/O部件，剩下的便是CPU。它可以分為運(yùn)算器和控制器兩部分。運(yùn)算器功能部件包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU、累加器ACC、寄存器B、暫存寄存器TMP1、TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW等?？刂破鞴δ懿考ǔ绦蛴嫈?shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、定時控制邏輯電路CU、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR、堆棧指針SP及時鐘電路等。

（1）運(yùn)算器

①算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（Arithmetic Logical Unit）

ALU可以進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算有：加、減、乘、除，邏輯運(yùn)算有：與、或、異或等。

②累加器ACC

累加器ACC的主要功能是在運(yùn)算前存放一個操作數(shù)，運(yùn)算后存放一個操作結(jié)果。80C51系列單片機(jī)雖然在結(jié)構(gòu)上仍然以累加器A作為重要部件。但由于內(nèi)部電路采取了措施，使得累加器A在數(shù)據(jù)傳送、邏輯操作等方面的核心作用有所削弱。數(shù)據(jù)可以在片內(nèi)直接/間接地址的存儲器之間直接傳送，而不必經(jīng)過累加器A。但，加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算指令的運(yùn)算結(jié)果都存放在累加器A或AB寄存器對中。

③暫存器TMP1、TMP2由圖1可知，ALU進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算前的兩個操作數(shù)來自暫存器TMP1、TMP2，所以暫存器TMP1、TMP2用于存放運(yùn)算前的兩個操作數(shù)。

④程序狀態(tài)字寄存器PSW程序狀態(tài)字寄存器PSW用來存放運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)標(biāo)志。PSW寄存器各位的含義如下，其中PSW.1未定義，其它各位說明如下：

CY：進(jìn)位標(biāo)志。它是累加器A的進(jìn)位位，如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位（加法）或借位（減法）時置1，否則清0。

AC：半進(jìn)位標(biāo)志。它是低半字節(jié)的進(jìn)位位（累加器A中A3位向A4位的進(jìn)位），主要用于BCD碼調(diào)整。低4位有進(jìn)位（加法時）或向高4位有借位時（減法時），AC是1，否則，AC清0。

F0：用戶定義的狀態(tài)標(biāo)志位?？赏ㄟ^軟件對它置位、復(fù)位或測試，以控制程序的流向。

RS1、RS0：工作寄存器區(qū)選擇控制位，用于選擇4組工作寄存器之一?？梢杂密浖碇梦换蚯辶?，以確定工作寄存器區(qū)。RS1、RS0與寄存器區(qū)的對應(yīng)關(guān)系如下：

RS1、RS0=00——0區(qū)（地址00H~07H）RS1、RS0=01——1區(qū)（地址08H~0FH）RS1、RS0=10——2區(qū)（地址10H~17H）RS1、RS0=11——3區(qū)（地址18H~1FH）

OV：溢出標(biāo)志位，用于表示有符號數(shù)算術(shù)運(yùn)算的溢出。溢出時OV為1，否則OV為0。

P：奇偶標(biāo)志位。每個指令周期都由硬件來置位或清零，以表示累加器A中1的個數(shù)的奇偶性。若1的個數(shù)為奇數(shù)，則P置位；若1的個數(shù)為偶數(shù)，則清零。

⑤寄存器B

在乘除指令中，用到了寄存器B。

（2）控制器

控制器是控制單片機(jī)各種操作的部件，用于完成指令規(guī)定的操作。它包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、定時控制邏輯、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR、時鐘發(fā)生器、復(fù)位電路、堆棧指針SP等。

①程序計數(shù)器 PC

程序計數(shù)器PC為16位寄存器，用于存放下一條要執(zhí)行指令地址，具有自動加1功能。

②指令寄存器IR、指令譯碼器ID、定時控制邏輯電路

指令寄存器IR用來暫時存放當(dāng)前取出的指令，并由指令譯碼器ID譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的譯碼信號，并傳送給定時控制電路，定時控制電路發(fā)出各種控制信號控制各器件完成指令規(guī)定的操作。

③數(shù)據(jù)指針DPTR

DPTR為16位寄存器。由于80C51單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，因此，其程序存儲器與地址存儲器是分開的，程序存儲器的地址是由程序計數(shù)器PC提供，而數(shù)據(jù)存儲器的地址是由數(shù)據(jù)指針DPTR提供的，所以DPTR用于存放片外數(shù)據(jù)存儲器及I/O口的地址。

④時鐘電路

時鐘電路是計算機(jī)的心臟，它控制著計算機(jī)的工作節(jié)奏。

⑤復(fù)位和復(fù)位電路

計算機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，復(fù)位就是使CPU和系統(tǒng)中的其它部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。

⑥堆棧指針SP

堆棧指針SP用于存放棧頂單元的地址。

2．單片機(jī)的存儲器配置

由于80C51單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，所以其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，各有自身的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。程序存儲器用來存放程序和表格常數(shù)；數(shù)據(jù)存儲器通常用來存放程序運(yùn)行所需要的給定參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果。

從實(shí)際的物理存儲介質(zhì)來看，80C51有4種存儲空間，它們是片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（含特殊功能寄存器）和片外數(shù)據(jù)存儲器。80C51的存儲器配置情況如圖2所示。

邏輯地址空間來看，80C51單片機(jī)可分為三部分，即：程序存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。這3部分分別使用不同的地址指針，不同的訪問指令。因此，下面按邏輯結(jié)構(gòu)介紹80C51的存儲器結(jié)構(gòu)。

（1）程序存儲器

由圖3可知，程序存儲器以程序計數(shù)器PC作地址指針，通過16位地址總線，可尋址的地址空間為0000H~0FFFFH共64K(216=64K)字節(jié)，其訪問指令為MOVC。用于存放程序指令碼與固定的數(shù)據(jù)表格等。

80C51單片機(jī)中內(nèi)部和外部共64K字節(jié)程序存儲器的地址空間是統(tǒng)一的。對于有內(nèi)部ROM的單片機(jī)，在正常運(yùn)行時，應(yīng)把引腳接高電平，使程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行。當(dāng)PC值超出內(nèi)部ROM的容量時，會自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器空間。

（2）片外數(shù)據(jù)存儲器

由圖可知，片外數(shù)據(jù)存儲器以DPTR作為地址指針，通過16位地址總線，可尋址的地址空間為0000H~0FFFFH共64K(216=64K)字節(jié)，其訪問指令為MOVX。用于存放數(shù)據(jù)與運(yùn)算結(jié)果。

（3）片內(nèi)據(jù)存儲器

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的地址空間從00H~FFH共256字節(jié)，其訪問指令為MOV。其地址可由R0、R1寄存器提供。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器是最靈活的地址空間，它分成物理上獨(dú)立且性質(zhì)上不同的2個區(qū)：00H~7FH單元組成的128字節(jié)RAM區(qū)，地址為80H~FFH的特殊功能寄存器區(qū)（簡稱SFR區(qū)）。

1）RAM區(qū)（00H~7FH）

由圖2-3可知，RAM區(qū)又分為3個區(qū)：工作寄存器區(qū)、位地址區(qū)與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

①工作寄存器區(qū)（00H~1FH）

80C51單片機(jī)的內(nèi)部RAM區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。

②位地址區(qū)（20H~2FH）

內(nèi)部RAM的20H~2FH為位尋址區(qū)域，見表1所示。這16個單元的每一位都有一個位地址，位地址范圍為00H~7FH。通常把各種程序狀態(tài)標(biāo)志、位控制變量設(shè)在位尋址區(qū)內(nèi)。位尋址區(qū)的RAM單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。

表1 內(nèi)部RAM區(qū)的位地址映像表

③數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址空間從30H~7FH共80個字節(jié)單元，用于存放數(shù)據(jù)與運(yùn)算結(jié)果，如加法運(yùn)算時，存放加數(shù)、被加數(shù)及運(yùn)算和。通常堆棧區(qū)也設(shè)置在該區(qū)內(nèi)。有些單片機(jī)將顯示緩沖區(qū)設(shè)置在該區(qū)內(nèi)。

2）特殊功能寄存器SFR（80H~FFH）

80C51單片機(jī)內(nèi)的I/O口鎖存器、狀態(tài)標(biāo)志寄存器、定時器、串行口、數(shù)據(jù)緩沖器以及各種控制寄存器統(tǒng)稱為特殊功能寄存器，它們離散地分布在內(nèi)部RAM地址空間（80H~0FFH）內(nèi)，表2列出了這些特殊功能寄存器的標(biāo)識符、名稱及地址。由表2-2可知累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW、I/O口P0~P3等均為特殊功能寄存器。

表2 特殊功能寄存器SFR

注：帶“·”號的寄存器可按字節(jié)和按位尋址，其特征是直接地址能被8整除。帶“*”號的寄存器是與定時器/計數(shù)器2有關(guān)的寄存器，僅在80C52系列中存在。下面以一個實(shí)例說明單片機(jī)的內(nèi)部存儲器。

3．80C51單片機(jī)并行輸入/輸出口

80C51單片機(jī)含有4 個8位并行I/O口P0、P1、P2和P3。每個口有8個引腳，如圖2-1所示，共有32個I/O引腳，每一個并行I/O口都能用作輸入或輸出。各口的第一、第二功能如下：

I/O口 引腳 第一功能 第二功能P0口 P0.0~P0.7 輸入與輸出 分時的傳送地址低8位與數(shù)據(jù)線P1口 P1.0~P0.7 輸入與輸出 無第二功能P2口 P2.0~P2.7 輸入與輸出 傳送地址的高8位P3口 P3.0~P3.7 輸入與輸出 P3.0——RXD：串行口輸入端

P3.1——TXD：串行口輸出端P3.2——INT0：外部中斷0中斷請求輸入端P3.3——INT1：外部中斷1中斷請求輸入端P3.4——T0：定時器/計數(shù)器0外部輸入端P3.5——T1：定時器/計數(shù)器1外部輸入端P3.6——WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號

P3.7——RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號

四個通道口都有一種特殊的線路結(jié)構(gòu)，每個口都包含一個鎖存器，即特殊功能寄存器P0~P3，一個輸出驅(qū)動器和兩個（P3口有三個）三態(tài)緩沖器。這種結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)輸出時，可以鎖存，即在重新輸出新的數(shù)據(jù)之前，口上的數(shù)據(jù)一直保持不變。但對于輸入信號是不鎖存的，所以外設(shè)欲輸入的數(shù)據(jù)必須保持到取數(shù)指令執(zhí)行（把數(shù)據(jù)讀取后）為止。

下面分別敘述各個端口的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法。

（1）P0口的組成與功能1）位結(jié)構(gòu)

在訪問外部存儲器時，P0口是一個真正的雙向數(shù)據(jù)總線口，并分時送出地址的低8位。圖2-4所示的是P0口的一位結(jié)構(gòu)圖。它包含兩個輸入緩沖器、一個輸出鎖存器以及輸出驅(qū)動電路、輸出控制電路。輸出驅(qū)動電路由兩只場效應(yīng)管V1和V2組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制。輸出控制電路包括與門、反相器和多路模擬開關(guān)MUX。P0口既能用作通用I/O口，又能用作地址/數(shù)據(jù)總線。

2）作為通用I/O口P0口作為通用I/O口使用時，CPU令控制信號為低電平。這時多路開關(guān)MUX接通B端即輸出鎖存器的 端，同時使與門輸出低電平，場效應(yīng)管V1截止，因而輸出級為開漏輸出電路。

①作為輸出口當(dāng)用P0口輸出數(shù)據(jù)時，寫信號加在鎖存器的時鐘端CL上，此時與內(nèi)部總線相連的D端其數(shù)據(jù)經(jīng)反相后出現(xiàn)的 端上，再經(jīng)V2管反相，于是在P0口引腳上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)。由于輸出級為開漏電路，所以用作輸出口時應(yīng)外接上拉電阻。

②作為輸入口當(dāng)P0口用于輸入數(shù)據(jù)時，要使用端口中的兩個三態(tài)輸入緩沖器之一。這時有兩種工作方式：讀引腳和讀鎖存器。

當(dāng)CPU執(zhí)行一般的端口輸入指令時，“讀引腳”信號使圖2-4中下面一個緩沖器開通，于是端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器輸入到內(nèi)部總線上。

當(dāng)CPU執(zhí)行“讀一修改一寫”一類指令時，“讀鎖存器”信號使圖2-4上面一個緩沖器開通，鎖存器Ｑ端的數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖器輸入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。

在P0口作為輸入口使用時，必須首先向端口鎖存器寫入“1”。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行讀引腳操作時，如果V2是導(dǎo)通的，那么不論引腳上的輸入狀態(tài)如何，都會變?yōu)榈碗娖?。為了正確讀入引腳上的邏輯電平，先要向鎖存器寫1，使其 端為0，V2截止。該引腳成為高阻抗的輸入端。

3）作為地址/數(shù)據(jù)總線P0口還能作為地址總線低8位或數(shù)據(jù)總線，供系統(tǒng)擴(kuò)展時使用。這時控制信號為高電平，多路開關(guān)MUX接通A端。有兩種工作情況：一種是總線輸出，另一種是外部數(shù)據(jù)輸入。作為總線輸出時，從“地址/數(shù)據(jù)”端輸入的地址或數(shù)據(jù)信號通過與門驅(qū)動V2，同時通過非門驅(qū)動V2，結(jié)果在引腳上得到地址或數(shù)據(jù)輸出信號。

作為數(shù)據(jù)總線輸入數(shù)據(jù)時，從引腳上輸入的外部數(shù)據(jù)經(jīng)過讀引腳緩沖器進(jìn)入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。對于80C51、87C51單片機(jī)，P0口能作為I/O口或地址/數(shù)據(jù)總線使用。對于80C31單片機(jī)，P0口只能用作地址/數(shù)據(jù)總線。

綜上所述，P0口既可以作為地址/數(shù)據(jù)總線口，這時它是真正的雙向口，也可作通用的I/O口，但只是一個準(zhǔn)雙向口。準(zhǔn)雙向口的特點(diǎn)是：復(fù)位時，口鎖存器均置“1”，8根引腳可當(dāng)一般輸入線使用，而在某引腳由原輸出狀態(tài)變成輸入狀態(tài)時，則應(yīng)先寫入“1”，以免錯讀引腳上的信息。一般情況下，P0口已當(dāng)作地址/數(shù)據(jù)總線口使用時，就不能再作通用I/O口使用。

（2）P1口組成與功能

P1口只用作通用I/O口，其一位結(jié)構(gòu)圖如圖所示。與P0口相比，P1口的位結(jié)構(gòu)圖中少了地址/數(shù)據(jù)的傳送電路和多路開關(guān)，上面一只MOS管改為上拉電阻。

P1口作為一般I/O的功能和使用方法與P0口相似。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時，應(yīng)先向端口寫“1”。它也有讀引腳和讀鎖存器兩種方式。所不同的是當(dāng)輸出數(shù)據(jù)時，由于內(nèi)部有了上拉電阻，所以不需要再外接上拉電阻。

（3）P2口的組成與功能

當(dāng)系統(tǒng)中接有外部存儲器時，P2口可用于輸出高8位地址，若當(dāng)作通用I/O口用，P2口則是一個準(zhǔn)雙向口。因此說P2口能用作通用I/O口或地址總線，其一位的結(jié)構(gòu)如圖所示。

①作為通用I/O口

當(dāng)控制信號為低電平時，多路開關(guān)接到B端，P2口作為通用I/O口使用，其功能和使用方法與P1口相同。

②作為地址總線當(dāng)控制端輸出高電平時，多路開關(guān)接到A端，地址信號經(jīng)反相器、V從引腳輸出。這時P2口輸出地址總線高8位，供系統(tǒng)擴(kuò)展使用。

對80C51、87C51單片機(jī)，P2口能作為I/O口或地址總線作用。對于80C31單片機(jī)，P2口只能用作地址總線。

（4）P3口組成與功能

P3口能作通用I/O口，同時每一引腳還有第二功能。P3口的一位結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

作為通用I/O口：當(dāng)“第二功能輸出”端為高電平時，P3口用作通用I/O口。這時與非門對于輸入端Q來說相當(dāng)于非門，位結(jié)構(gòu)與P2口完全相同，因此P3口用作通用I/O口時的功能和使用方法與P2口、P1口相同。

用作第二功能： 當(dāng)P3口的某一位作為第二功能輸出使用時，應(yīng)將該位的鎖存器置“1”，使與非門的輸出狀態(tài)只受“第二功能輸出”端的控制?！暗诙δ茌敵觥倍说臓顟B(tài)經(jīng)與非門和驅(qū)動管V輸出到該位引腳上。

當(dāng)P3口的某一位作為第二功能輸入使用時，該位的鎖存器和“第二功能輸出”端都應(yīng)為“1”，這樣，該位引腳上的輸入信號經(jīng)緩沖器送入“第二功能輸入”端。

至此，可以對組成一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時各個并行口的分工小結(jié)如下：P0口：分時的用作地址低8位與數(shù)據(jù)線，低8位地址由PC低8位或DPL提供。P1口：按位可編址的輸入輸出口。P2口：地址線的高8位，高8位地址由PC高8位或DPH提供。P3口：雙功能口，若不用第二功能，可作為一般的I/O口。