8051有4组8位I/O口:P0、P1、P2和P3口,P1、P2和P3为准双向口,P0口则为双向三态输入输出口,下面我们分别介绍这几个口线: ·P0口和P2口: 右图为P0口和P2口其中一位的电路图,由图可见,电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器,另外还有一个数据输出的驱动和控制电路。这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器、外部程序存储器和I/O扩展口,而不能象P1、P3直接用作输出口。它们一起可以作为外部地址总线,P0口身兼两职,既可作为地址总线,也可作为数据总线。参考图2。 |
P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15,P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。外部的程序存储器由PSEN信号选通,数据存储器则由WR和RD读写信号选通,因为216=64k,所以8051最大可外接64kB的程序存储器和数据存储器。 |
·P1口: 右图为P1口其中一位的电路图,P1口为8位准双向口,每一位均可单独定义为输入或输出口,当作为输入口时,1写入锁存器,Q(非)=0,T2截止,内上拉电阻将电位拉至"1",此时该口输出为1,当0写入锁存器,Q(非)=1,T2导通,输出则为0。 作为输入口时,锁存器置1,Q(非)=0,T2截止,此时该位既可以把外部电路拉成低电平,也可由内部上拉电阻拉成高电平,正因为这个原因,所以P1口常称为准双向口。需要说明的是,作为输入口使用时,有两种情况,其一是:首先是读锁存器的内容,进行处理后再写到锁存器中,这种操作即读—修改—写操作,象JBC(逻辑判断)、CPL(取反)、INC(递增)、DEC(递减)、ANL(与逻辑)和ORL(逻辑或)指令均属于这类操作。其二是:读P1口线状态时,打开三态门G2,将外部状态读入CPU。 |
·P3口: P3口的电路如上图所示,P3口为准双向口,为适应引脚的第二功能的需要,增加了第二功能控制逻辑,在真正的应用电路中,第二功能显得更为重要。由于第二功能信号有输入输出两种情况,我们分别加以说明。 P3口的输入输出及P3口锁存器、中断、定时/计数器、串行口和特殊功能寄存器有关,P3口的第一功能和P1口一样可作为输入输出端口,同样具有字节操作和位操作两种方式,在位操作模式下,每一位均可定义为输入或输出。 我们着重讨论P3口的第二功能,P3口的第二功能各管脚定义如下: ·P3.0 串行输入口(RXD) ·P3.1 串行输出口(TXD) ·P3.2 外中断0(INT0) ·P3.3 外中断1(INT1) ·P3.4 定时/计数器0的外部输入口(T0) ·P3.5 定时/计数器1的外部输入口(T1) ·P3.6 外部数据存储器写选通(WR) ·P3.7 外部数据存储器读选通(RD) |
对于第二功能为输出引脚,当作I/O口使用时,第二功能信号线应保持高电平,与非门开通,以维持从锁存器到输出口数据输出通路畅通无阻。而当作第二功能口线使用时,该位的锁存器置高电平,使与非门对第二功能信号的输出是畅通的,从而实现第二功能信号的输出。对于第二功能为输入的信号引脚,在口线上的输入通路增设了一个缓冲器,输入的第二功能信号即从这个缓冲器的输出端取得。而作为I/O口线输入端时,取自三态缓冲器的输出端。这样,不管是作为输入口使用还是第二功能信号输入,输出电路中的锁存器输出和第二功能输出信号线均应置“1”。 |
程序存储器
一个微处理器能够聪明地执行某种任务,除了它们强大的硬件外,还需要它们运行的软件,其实微处理器并不聪明,它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中,俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样,都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。
MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间,它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机,它的程序存储器必须外接,空间地址为64kB,此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机,正常运行时,则需接高电平,使CPU先从内部的程序存储中读取程序,当PC值超过内部ROM的容量时,才会转向外部的程序存储器读取程序。
8051片内有4kB的程序存储单元,其地址为0000H—0FFFH,单片机启动复位后,程序计数器的内容为0000H,所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元,这在使用中应加以注意:
其中一组特殊是0000H—0002H单元,系统复位后,PC为0000H,单片机从0000H单元开始执行程序,如果程序不是从0000H单元开始,则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令,让CPU直接去执行用户指定的程序。
另一组特殊单元是0003H—002AH,这40个单元各有用途,它们被均匀地分为五段,它们的定义如下:
0003H—000AH 外部中断0中断地址区。
000BH—0012H 定时/计数器0中断地址区。
0013H—001AH 外部中断1中断地址区。
001BH—0022H 定时/计数器1中断地址区。
0023H—002AH 串行中断地址区。
可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元,中断响应后,按中断的类型,自动转到各自的中断区去执行程序。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容,只能存放中断服务程序。但是通常情况下,每段只有8个地址单元是不能存下完整的中断服务程序的,因而一般也在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令,指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行,这样中断响应后,CPU读到这条转移指令,便转向其他地方去继续执行中断服务程序。
数据存储器
数据存储器也称为随机存取数据存储器。MCS-51单片机的数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间,一个是内部数据存储区和一个外部数据存储区。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储(不同的型号有分别),它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写,部分单元还可以位寻址。
8051内部RAM共有256个单元,这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H—7FH单元(共128个字节)为用户数据RAM。从80H—FFH地址单元(也是128个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。从图1中可清楚地看出它们的结构分布。 在00H—1FH共32个单元中被均匀地分为四块,每块包含八个8位寄存器,均以R0—R7来命名,我们常称这些寄存器为通用寄存器。这四块中的寄存器都称为R0—R7,那么在程序中怎么区分和使用它们呢?聪明的INTEL工程师们又安排了一个寄存器——程序状态字寄存器(PSW)来管理它们,CPU只要定义这个寄存的PSW的第3和第4位(RS0和RS1),即可选中这四组通用寄存器。对应的编码关系如图2所示。 |
内部RAM的20H—2FH单元为位寻址区,既可作为一般单元用字节寻址,也可对它们的位进行寻址。位寻址区共有16个字节,128个位,位地址为00H—7FH。位地址分配如表1所示,CPU能直接寻址这些位,执行例如置“1”、清“0”、求“反”、转移,传送和逻辑等操作。我们常称MCS-51具有布尔处理功能,布尔处理的存储空间指的就是这些为寻址区。 |
表1 RAM位寻址区地址表 | |||||||||
单元地址 | MSB 位地址 LSB | ||||||||
2FH | 7FH | 7EH | 7DH | 7CH | 7BH | 7AH | 79H | 78H | |
2EH | 77H | 76H | 75H | 74H | 73H | 72H | 71H | 70H | |
2DH | 6FH | 6EH | 6DH | 6CH | 6BH | 6AH | 69H | 68H | |
2CH | 67H | 66H | 65H | 64H | 63H | 62H | 61H | 60H | |
2BH | 5FH | 5EH | 5DH | 5CH | 5BH | 5AH | 59H | 58H | |
2AH | 57H | 56H | 55H | 54H | 53H | 52H | 51H | 50H | |
29H | 4FH | 4EH | 4DH | 4CH | 4BH | 4AH | 49H | 48H | |
28H | 47H | 46H | 45H | 44H | 43H | 42H | 41H | 40H | |
27H | 3FH | 3EH | 3DH | 3CH | 3BH | 3AH | 39H | 38H | |
26H | 37H | 36H | 35H | 34H | 33H | 32H | 31H | 30H | |
25H | 2FH | 2EH | 2DH | 2CH | 2BH | 2AH | 29H | 28H | |
24H | 27H | 26H | 25H | 24H | 23H | 22H | 21H | 20H | |
23H | 1FH | 1EH | 1DH | 1CH | 1BH | 1AH | 19H | 18H | |
22H | 17H | 16H | 15H | 14H | 13H | 12H | 11H | 10H | |
21H | 0FH | 0EH | 0DH | 0CH | 0BH | 0AH | 09H | 08H | |
20H | 07H | 06H | 05H | 04H | 03H | 02H | 01H | 00H |
特殊功能寄存器(SFR)也称为专用寄存器,特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的运行状态。很多功能也通过特殊功能寄存器来定义和控制程序的执行。
MCS-51有21个特殊功能寄存器,它们被离散地分布在内部RAM的80H—FFH地址中,这些寄存的功能已作了专门的规定,用户不能修改其结构。表2是特殊功能寄存器分布一览表,我们对其主要的寄存器作一些简单的介绍。
程序计数器PC(program Counter) 程序计数器在物理上是独立的,它不属于特殊内部数据存储器块中。PC是一个16位的计数器,用于存放一条要执行的指令地址,寻址范围为64kB,PC有自动加1功能,即完成了一条指令的执行后,其内容自动加1。PC本身并没有地址,因而不可寻址,用户无法对它进行读写,但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容,以控制程序按我们的要求去执行。 累加器ACC(Accumulator) 累加器A是一个最常用的专用寄存器,大部分单操作指令的一个操作数取自累加器,很多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。加、减、乘、除法运算的指令,运算结果都存放于累加器A或AB累加器对中。大部分的数据操作都会通过累加器A进行,它形象于一个交通要道,在程序比较复杂的运算中,累加器成了制约软件效率的“瓶颈”,它的功能较多,地位也十分重要。以至于后来发展的单片机,有的集成了多累加器结构,或者使用寄存器阵列来代替累加器,即赋予更多寄存器以累加器的功能,目的是解决累加器的“交通堵塞”问题。提高单片机的软件效率。 |
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寄存器B 在乘除法指令中,乘法指令中的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B,其结果存放于AB寄存器对中。除法指令中,被除数取自累加器A,除数取自寄存器B,结果商存放于累加器A,余数存放于寄存器B中。 程序状态字(Program Status Word) 程序状态字是一个8位寄存器,用于存放程序运行的状态信息,这个寄存器的一些位可由软件设置,有些位则由硬件运行时自动设置的。寄存器的各位定义如下,其中PSW.1是保留位,未使用。下表是它的功能说明,并对各个位的定义介绍如下: |
表3 程序状态字 | ||||||||
位序 | PSW.7 | PSW.6 | PSW.5 | PSW.4 | PSW.3 | PSW.2 | PSW.1 | PSW.0 |
位标志 | CY | AC | F0 | RS1 | RS0 | OV | - | P |
PSW.7(CY) 进位标志位,此位有两个功能:一是存放执行某写算数运算时,存放进位标志,可被硬件或软件置位或清零。二是在位操作中作累加位使用。 PSW.6(AC) 辅助进位标志位,当进行加、减运算时当有低4位向高4位进位或借位时,AC置位,否则被清零。AC辅助进位位也常用于十进制调整。 PSW.5(F0) 用户标志位,供用户设置的标志位。 PSW.4、PSW.3(RS1和 RS0) 寄存器组选择位。可参见本章的图2定义。 PSW.2(OV) 溢出标志。带符号加减运算中,超出了累加器A所能表示的符号数有效范围(-128—+127)时,即产生溢出,OV=1。表明运算运算结果错误。如果OV=0,表明运算结果正确。 执行加法指令ADD时,当位6向位7进位,而位7不向C进位时,OV=1。或者位6不向位7进位,而位7向C进位时,同样OV=1。 除法指令,乘积超过255时,OV=1。表面乘积在AB寄存器对中。若OV=0,则说明乘积没有超过255,乘积只在累加器A中。 除法指令,OV=1,表示除数为0,运算不被执行。否则OV=0。 PSW.0(P) 奇偶校验位。声明累加器A的奇偶性,每个指令周期都由硬件来置位或清零,若值为1的位数奇数,则P置位,否则清零。 |
数据指针为16位寄存器,编程时,既可以按16位寄存器来使用,也可以按两个8位寄存器来使用,即高位字节寄存器DPH和低位字节DPL。
DPTR主要是用来保存16位地址,当对64kB外部数据存储器寻址时,可作为间址寄存器使用,此时,使用如下两条指令:
MOVX A, @DPTR
MOVX @DPTR, A
在访问程序存储器时,DPTR可用来作基址寄存器,采用基址+变址寻址方式访问程序存储器,这条指令常用于读取程序存储器内的表格数据。
MOVC A, @A+@DPTR
堆栈指针SP(Stack Pointer)
堆栈是一种数据结构,它是一个8位寄存器,它指示堆栈顶部在内部RAM中的位置。系统复位后,SP的初始值为07H,使得堆栈实际上是从08H开始的。但我们从RAM的结构分布中可知,08H—1FH隶属1—3工作寄存器区,若编程时需要用到这些数据单元,必须对堆栈指针SP进行初始化,原则上设在任何一个区域均可,但一般设在30H—1FH之间较为适宜。
数据的写入堆栈我们称为入栈(PUSH,有些文献也称作插入运算或压入),从堆栈中取出数据称为出栈(POP,也称为删除运算或弹出),堆栈的最主要特征是“后进先出”规则,也即最先入栈的数据放在堆栈的最底部,而最后入栈的数据放在栈的顶部,因此,最后入栈的数据出栈时则是最先的。这和我们往一个箱里存放书本一样,需将最先放入箱底部的书取出,必须先取走最上层的书籍。这个道理非常相似。 那么堆栈有何用途呢?堆栈的设立是为了中断操作和子程序的调用而用于保存数据的,即常说的断点保护和现场保护。微处理器无论是在转入子程序和中断服务程序的执行,执行完后,还是要回到主程序中来,在转入子程序和中断服务程序前,必须先将现场的数据进行保存起来,否则返回时,CPU并不知道原来的程序执行到哪一步,原来的中间结果如何?所以在转入执行其它子程序前,先将需要保存的数据压入堆栈中保存。以备返回时,再复原当时的数据。供主程序继续执行。 |
转入中断服务程序或子程序时,需要保存的数据可能有若干个,都需要一一地保留。如果微处理器进行多重子程序或中断服务程序嵌套,那么需保存的数据就更多,这要求堆栈还需要有相当的容量。否则会造成堆栈溢出,丢失应备份的数据。轻者使运算和执行结果错误,重则使整个程序紊乱。 MCS-51的堆栈是在RAM中开辟的,即堆栈要占据一定的RAM存储单元。同时MCS-51的堆栈可以由用户设置,SP的初始值不同,堆栈的位置则不一定,不同的设计人员,使用的堆栈区则不同,不同的应用要求,堆栈要求的容量也有所不同。堆栈的操作只有两种,即进栈和出栈,但不管是向堆栈写入数据还是从堆栈中读出数据,都是对栈顶单元进行的,SP就是即时指示出栈顶的位置(即地址)。在子程序调用和中断服务程序响应的开始和结束期间,CPU都是根据SP指示的地址与相应的RAM存储单元交换数据。 堆栈的操作有两种方法:其一是自动方式,即在中断服务程序响应或子程序调用时,返回地址自动进栈。当需要返回执行主程序时,返回的地址自动交给PC,以保证程序从断点处继续执行,这种方式是不需要编程人员干预的。第二种方式是人工指令方式,使用专有的堆栈操作指令进行进出栈操作,也只有两条指令:进栈为PUSH指令,在中断服务程序或子程序调用时作为现场保护。出栈操作POP指令,用于子程序完成时,为主程序恢复现场。 I/O口专用寄存器(P0、P1、P2、P3) I/O口寄存器P0、P1、P2和P3分别是MCS-51单片机的四组I/O口锁存器。MCS-51单片机并没有专门的I/O口操作指令,而是把I/O口也当作一般的寄存器来使用,数据传送都统一使用MOV指令来进行,这样的好处在于,四组I/O口还可以当作寄存器直接寻址方式参与其他操作。 定时/计数器(TL0、TH0、TL1和TH1) MCS-51单片机中有两个16位的定时/计数器T0和T1,它们由四个8位寄存器组成的,两个16位定时/计数器却是完全独立的。我们可以单独对这四个寄存器进行寻址,但不能把T0和T1当作16位寄存来使用。 定时/计数器方式选择寄存器(TMOD) TMOD寄存器是一个专用寄存器,用于控制两个定时计数器的工作方式,TMOD可以用字节传送指令设置其内容,但不能位寻址,各位的定义如下,更详细的内容,我们将在《MCS-51定时器和中断系统》章节中叙述。 |
表4 定时/计数器工作方式控制寄存器 TMOD | ||||||||
位序 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
位标志 | GATE | M1 | M0 | GATE | M1 | M0 | ||
定时/计数器1 | 定时/计数器0 |
串行数据缓冲器(SBUF) 串行数据缓冲器SBUF用来存放需发送和接收的数据,它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,要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器进行。 其他控制寄存器(TMOD) 除了以上我们简述的几个专用寄存外,还有IP、IE、TCON、SCON和PCON等几个寄存器,这几个控制寄存器主要用于中断和定时的,我们将在《MCS-51定时器和中断系统》中详细说明。 |
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