一、 51單片機(jī)串行口工作原理

MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)串行I／O端口，通過(guò)引腳RXD(P3．0)和TXD(P3．1)可與外設(shè)電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信。

1．串行端口的基本特點(diǎn)

8031單片機(jī)的串行端口有4種基本工作方式，通過(guò)編程設(shè)置，可以使其工作在任一方式，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以擴(kuò)展單片機(jī)的I／O電路；方式1多用于雙機(jī)之間或與外設(shè)電路的通信；方式2，3除有方式l的功能外，還可用作多機(jī)通信，以構(gòu)成分布式多微機(jī)系統(tǒng)。

串行端口有兩個(gè)控制寄存器，用來(lái)設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送的波特率(每秒傳送的位數(shù))以及作為中斷標(biāo)志等。

串行端口有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器SBUF(在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為99H)，該寄存器為發(fā)送和接收所共同。發(fā)送時(shí)，只寫不讀；接收時(shí)，只讀不寫。在一定條件下，向陽(yáng)UF寫入數(shù)據(jù)就啟動(dòng)了發(fā)送過(guò)程；讀SBUf就啟動(dòng)了接收過(guò)程。

串行通信的波特率可以程控設(shè)定。在不同工作方式中，由時(shí)鐘振蕩頻率的分頻值或由定時(shí)器Tl的定時(shí)溢出時(shí)間確定，使用十分方便靈活。

2．串行端口的工作方式

①方式0

8位移位寄存器輸入／輸出方式。多用于外接移位寄存器以擴(kuò)展I／O端口。波特率固定為fosc/12。其中，fosc為時(shí)鐘頻率。

在方式0中，串行端口作為輸出時(shí)，只要向串行緩沖器SBUF寫入一字節(jié)數(shù)據(jù)后，串行端口就把此8位數(shù)據(jù)以等的波特率，從RXD引腳逐位輸出(從低位到高位)；此時(shí)，TXD輸出頻率為fosc/12的同步移位脈沖。數(shù)據(jù)發(fā)送前，僅管不使用中斷，中斷標(biāo)志TI還必須清零，8位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，TI自動(dòng)置1。如要再發(fā)送，必須用軟件將TI清零。

串行端口作為輸入時(shí)，RXD為數(shù)據(jù)輸入端，TXD仍為同步信號(hào)輸出端，輸出頻率為fosc/12的同步移位脈沖，使外部數(shù)據(jù)逐位移入RxD。當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)(一幀)后，中斷標(biāo)志RI自動(dòng)置。如果再接收，必須用軟件先將RI清零。

串行方式0發(fā)送和接收的時(shí)序過(guò)程見(jiàn)下圖。

②方式1

10位異步通信方式。其中，1個(gè)起始位(0)，8個(gè)數(shù)據(jù)位(由低位到高位)和1個(gè)停止位(1)。波特率由定時(shí)器T1的溢出率和SMOD位的狀態(tài)確定。

一條寫SBUF指令就可啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程。在發(fā)送移位時(shí)鐘(由波特率確定)的同步下，從TxD先送出起始位，然后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位。這樣的一幀10位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，中斷標(biāo)志TI置位。

在允許接收的條件下(REN＝1)，當(dāng)RXD出現(xiàn)由1到O的負(fù)跳變時(shí)，即被當(dāng)成是串行發(fā)送來(lái)的一幀數(shù)據(jù)的起始位，從而啟動(dòng)一次接收過(guò)程。當(dāng)8位數(shù)據(jù)接收完，并檢測(cè)到高電乎停止位后，即把接收到的8位數(shù)據(jù)裝入SBUF，置位RI，一幀數(shù)據(jù)的接收過(guò)程就完成了。

方式1的數(shù)據(jù)傳送波特率可以編程設(shè)置，使用范圍寬，其計(jì)算式為：

波特率＝2SMOD/32×(定時(shí)器T1的溢出率)

其中，SMOD是控制寄存器PCON中的一位程控位，其取值有0和l兩種狀態(tài)。顯然，當(dāng)SMOD＝0時(shí)，波特率＝1/32(定時(shí)器Tl溢出率)，而當(dāng)SMOD＝1時(shí)，波特率＝1/16(定時(shí)器T1溢出率)。所謂定時(shí)器的溢出率，就是指定時(shí)器一秒鐘內(nèi)的溢出次數(shù)。波特率的算法，以及要求一定波特率時(shí)定時(shí)器定時(shí)初值的求法，后面將詳細(xì)討論。

串行方式1的發(fā)送和接收過(guò)程的時(shí)序見(jiàn)下圖。

③方式2，3

11位異步通信方式。其中，1個(gè)起始位(0)，8個(gè)數(shù)據(jù)位(由低位到高位)，1個(gè)附加的第9位和1個(gè)停止住(1)。方式2和方式3除波特率不同外，其它性能完全相同。方式2，3的發(fā)送、接收時(shí)序見(jiàn)下圖。

由圖可見(jiàn)，方式2和方式3與方式l的操作過(guò)程基本相同，主要差別在于方式2，3有第9位數(shù)據(jù)。

發(fā)送時(shí)，發(fā)送機(jī)的這第9位數(shù)據(jù)來(lái)自該機(jī)SCON中的TB8，而接收機(jī)將接收到的這第9位數(shù)據(jù)送入本機(jī)SCON中的RB8。這個(gè)第9位數(shù)據(jù)通常用作數(shù)據(jù)的奇偶檢驗(yàn)位，或在多機(jī)通信中作為地址／數(shù)據(jù)的特征位。

方式2和方式3的波特率計(jì)算式如下：

方式2的波特率＝2SMOD/64×fosc

方式3的波特率＝2SMOD/32×定時(shí)器T1的溢出率

由此可見(jiàn)，在晶振時(shí)鐘頻率一定的條件下，方式2只有兩種波特率，而方式3可通過(guò)編程設(shè)置成多種波特率，這正是這兩種方式的差別所在。

3．串行端口的控制寄存器

串行端口共有2個(gè)控制寄存器SCON和PCON，用以設(shè)置串行端口的工作方式、接收／發(fā)送的運(yùn)行狀態(tài)、接收／發(fā)送數(shù)據(jù)的特征、波特率的大小，以及作為運(yùn)行的中斷標(biāo)志等。

二、51單片機(jī)I/O腳工作原理分析

一、P0端口的結(jié)構(gòu)及工作原理

P0端口8位中的一位結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)下圖：

由上圖可見(jiàn)，P0端口由鎖存器、輸入緩沖器、切換開(kāi)關(guān)、一個(gè)與非門、一個(gè)與門及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。再看圖的右邊，標(biāo)號(hào)為P0.X引腳的圖標(biāo)，也就是說(shuō)P0.X引腳可以是P0.0到P0.7的任何一位，即在P0口有8個(gè)與上圖相同的電路組成。

下面，我們先就組成P0口的每個(gè)單元部份跟大家介紹一下：

先看輸入緩沖器：在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，在學(xué)數(shù)字電路時(shí)，我們已知道，三態(tài)門有三個(gè)狀態(tài)，即在其的輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種就是高阻狀態(tài)（或稱為禁止?fàn)顟B(tài)），大家看上圖，上面一個(gè)是讀鎖存器的緩沖器，也就是說(shuō)，要讀取D鎖存器輸出端Q的數(shù)據(jù)，那就得使讀鎖存器的這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端（上圖中標(biāo)號(hào)為‘讀鎖存器’端）有效。下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數(shù)據(jù)，也要使標(biāo)號(hào)為‘讀引腳’的這個(gè)三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)轿覀儐纹瑱C(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。

D鎖存器：構(gòu)成一個(gè)鎖存器，通常要用一個(gè)時(shí)序電路，時(shí)序的單元電路在學(xué)數(shù)字電路時(shí)我們已知道，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位的二進(jìn)制數(shù)（即具有保持功能），在51單片機(jī)的32根I/O口線中都是用一個(gè)D觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成鎖存器的。大家看上圖中的D鎖存器，D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端（也就是時(shí)序控制信號(hào)輸入端），Q是輸出端，Q非是反向輸出端。

對(duì)于D觸發(fā)器來(lái)講，當(dāng)D輸入端有一個(gè)輸入信號(hào)，如果這時(shí)控制端CP沒(méi)有信號(hào)（也就是時(shí)序脈沖沒(méi)有到來(lái)），這時(shí)輸入端D的數(shù)據(jù)是無(wú)法傳輸?shù)捷敵龆薗及反向輸出端Q非的。如果時(shí)序控制端CP的時(shí)序脈沖一旦到了，這時(shí)D端輸入的數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)絈及Q非端。數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)后，當(dāng)CP時(shí)序控制端的時(shí)序信號(hào)消失了，這時(shí)，輸出端還會(huì)保持著上次輸入端D的數(shù)據(jù)（即把上次的數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)了）。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號(hào)來(lái)了，這時(shí)D端的數(shù)據(jù)才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。

多路開(kāi)關(guān)：在51單片機(jī)中，當(dāng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器夠用（也就是不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，這里講的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及程序存儲(chǔ)器）時(shí)，P0口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對(duì)于8031（內(nèi)部沒(méi)有ROM）的單片機(jī)或者編寫的程序超過(guò)了單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量，需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口就作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線使用。那么這個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)就是用于選擇是做為普通I/O口使用還是作為‘?dāng)?shù)據(jù)/地址’總線使用的選擇開(kāi)關(guān)了。大家看上圖，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)與下面接通時(shí)，P0口是作為普通的I/O口使用的，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)是與上面接通時(shí)，P0口是作為‘地址/數(shù)據(jù)’總線使用的。

輸出驅(qū)動(dòng)部份：從上圖中我們已看出，P0口的輸出是由兩個(gè)MOS管組成的推拉式結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，這兩個(gè)MOS管一次只能導(dǎo)通一個(gè)，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2就截止，當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，V1截止。

與門、與非門：這兩個(gè)單元電路的邏輯原理我們?cè)诘谒恼n數(shù)字及常用邏輯電路時(shí)已做過(guò)介紹，不明白的同學(xué)請(qǐng)回到第四節(jié)去看看。

前面我們已將P0口的各單元部件進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的講解，下面我們就來(lái)研究一下P0口做為I/O口及地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)的具體工作過(guò)程。

1、作為I/O端口使用時(shí)的工作原理

P0口作為I/O端口使用時(shí)，多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)為0（低電平），看上圖中的線線部份，多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)同時(shí)與與門的一個(gè)輸入端是相接的，我們知道與門的邏輯特點(diǎn)是“全1出1，有0出0”那么控制信號(hào)是0的話，這時(shí)與門輸出的也是一個(gè)0（低電平），與讓的輸出是0，V1管就截止，在多路控制開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)是0（低電平）時(shí)，多路開(kāi)關(guān)是與鎖存器的Q非端相接的（即P0口作為I/O口線使用）。

P0口用作I/O口線，其由數(shù)據(jù)總線向引腳輸出（即輸出狀態(tài)Output）的工作過(guò)程：當(dāng)寫鎖存器信號(hào)CP 有效，數(shù)據(jù)總線的信號(hào)→鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出Q非端→多路開(kāi)關(guān)→V2管的柵極→V2的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)為低電平0時(shí)，與門輸出為低電平，V1管是截止的，所以作為輸出口時(shí)，P0是漏極開(kāi)路輸出，類似于OC門，當(dāng)驅(qū)動(dòng)上接電流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻。

下圖就是由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線向P0口輸出數(shù)據(jù)的流程圖（紅色箭頭）。

P0口用作I/O口線，其由引腳向內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入（即輸入狀態(tài)Input）的工作過(guò)程：數(shù)據(jù)輸入時(shí)（讀P0口）有兩種情況

1、讀引腳

讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)，讀引腳數(shù)時(shí)，讀引腳緩沖器打開(kāi)（即三態(tài)緩沖器的控制端要有效），通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸入，請(qǐng)看下圖（紅色簡(jiǎn)頭）。

2、讀鎖存器

通過(guò)打開(kāi)讀鎖存器三態(tài)緩沖器讀取鎖存器輸出端Q的狀態(tài)，請(qǐng)看下圖（紅色箭頭）：

在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來(lái)的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q＝0，Q非＝1，場(chǎng)效應(yīng)管T2開(kāi)通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)論端口線上外接的信號(hào)是低電乎還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q＝1，Q非＝0，場(chǎng)效應(yīng)管T2截止。如外接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。為此，8031單片機(jī)在對(duì)端口P0一P3的輸入操作上，有如下約定：為此，8051單片機(jī)在對(duì)端口P0一P3的輸入操作上，有如下約定：凡屬于讀-修改-寫方式的指令，從鎖存器讀入信號(hào)，其它指令則從端口引腳線上讀入信號(hào)。

讀-修改-寫指令的特點(diǎn)是，從端口輸入(讀)信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)加以運(yùn)算(修改)后，再輸出(寫)到該端口上。下面是幾條讀--修改-寫指令的例子。

這樣安排的原因在于讀-修改-寫指令需要得到端口原輸出的狀態(tài)，修改后再輸出，讀鎖存器而不是讀引腳，可以避免因外部電路的原因而使原端口的狀態(tài)被讀錯(cuò)。

P0端口是8031單片機(jī)的總線口，分時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)D7一D0、低8位地址A7一AO，以及三態(tài)，用來(lái)接口存儲(chǔ)器、外部電路與外部設(shè)備。P0端口是使用最廣泛的I／O端口。

2、作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用時(shí)的工作原理

在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用。

這時(shí)多路開(kāi)關(guān)‘控制’信號(hào)為‘1’，‘與門’解鎖，‘與門’輸出信號(hào)電平由“地址/數(shù)據(jù)”線信號(hào)決定；多路開(kāi)關(guān)與反相器的輸出端相連，地址信號(hào)經(jīng)“地址/數(shù)據(jù)”線→反相器→V2場(chǎng)效應(yīng)管柵極→V2漏極輸出。

例如：控制信號(hào)為1，地址信號(hào)為“0”時(shí)，與門輸出低電平，V1管截止；反相器輸出高電平，V2管導(dǎo)通，輸出引腳的地址信號(hào)為低電平。請(qǐng)看下圖（蘭色字體為電平）：

反之，控制信號(hào)為“1”、地址信號(hào)為“1”，“與門”輸出為高電平，V1管導(dǎo)通；反相器輸出低電平，V2管截止，輸出引腳的地址信號(hào)為高電平。請(qǐng)看下圖（蘭色字體為電平）：

可見(jiàn)，在輸出“地址/數(shù)據(jù)”信息時(shí)，V1、V2管是交替導(dǎo)通的，負(fù)載能力很強(qiáng)，可以直接與外設(shè)存儲(chǔ)器相連，無(wú)須增加總線驅(qū)動(dòng)器。

P0口又作為數(shù)據(jù)總線使用。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，P0口輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線，以便讀指令碼（輸入）。

在取指令期間，“控制”信號(hào)為“0”，V1管截止，多路開(kāi)關(guān)也跟著轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端Q非；CPU自動(dòng)將0FFH（11111111，即向D鎖存器寫入一個(gè)高電平‘1’）寫入P0口鎖存器，使V2管截止，在讀引腳信號(hào)控制下，通過(guò)讀引腳三態(tài)門電路將指令碼讀到內(nèi)部總線。請(qǐng)看下圖

如果該指令是輸出數(shù)據(jù)，如MOVX @DPTR，A（將累加器的內(nèi)容通過(guò)P0口數(shù)據(jù)總線傳送到外部RAM中），則多路開(kāi)關(guān)“控制”信號(hào)為‘1’，“與門”解鎖，與輸出地址信號(hào)的工作流程類似，數(shù)據(jù)據(jù)由“地址/數(shù)據(jù)”線→反相器→V2場(chǎng)效應(yīng)管柵極→V2漏極輸出。

如果該指令是輸入數(shù)據(jù)（讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器），如MOVX A，@DPTR（將外部RAM某一存儲(chǔ)單元內(nèi)容通過(guò)P0口數(shù)據(jù)總線輸入到累加器A中），則輸入的數(shù)據(jù)仍通過(guò)讀引腳三態(tài)緩沖器到內(nèi)部總線，其過(guò)程類似于上圖中的讀取指令碼流程圖。

通過(guò)以上的分析可以看出，當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，在讀指令碼或輸入數(shù)據(jù)前，CPU自動(dòng)向P0口鎖存器寫入0FFH，破壞了P0口原來(lái)的狀態(tài)。因此，不能再作為通用的I/O端口。大家以后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意，即程序中不能再含有以P0口作為操作數(shù)（包含源操作數(shù)和目的操作數(shù)）的指令。

二、P1端口的結(jié)構(gòu)及工作原理

P1口的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，用途也單一，僅作為數(shù)據(jù)輸入/輸出端口使用。輸出的信息有鎖存，輸入有讀引腳和讀鎖存器之分。P1端口的一位結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖.

由圖可見(jiàn)，P1端口與P0端口的主要差別在于，P1端口用內(nèi)部上拉電阻R代替了P0端口的場(chǎng)效應(yīng)管T1，并且輸出的信息僅來(lái)自內(nèi)部總線。由內(nèi)部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器反相和場(chǎng)效應(yīng)管反相后，鎖存在端口線上，所以，P1端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口。

由上圖可見(jiàn)，要正確地從引腳上讀入外部信息，必須先使場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，以便由外部輸入的信息確定引腳的狀態(tài)。為此，在作引腳讀入前，必須先對(duì)該端口寫入l。具有這種操作特點(diǎn)的輸入/輸出端口，稱為準(zhǔn)雙向I/O口。8051單片機(jī)的P1、P2、P3都是準(zhǔn)雙向口。P0端口由于輸出有三態(tài)功能，輸入前，端口線已處于高阻態(tài)，無(wú)需先寫入l后再作讀操作。

P1口的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，前面我們已詳細(xì)的分析了P0口，只要大家認(rèn)真的分析了P0口的工作原理，P1口我想大家都有能力去分析，這里我就不多論述了。

單片機(jī)復(fù)位后，各個(gè)端口已自動(dòng)地被寫入了1，此時(shí)，可直接作輸入操作。如果在應(yīng)用端口的過(guò)程中，已向P1一P3端口線輸出過(guò)0，則再要輸入時(shí)，必須先寫1后再讀引腳，才能得到正確的信息。此外，隨輸入指令的不同，H端口也有讀鎖存器與讀引腳之分。

三、P2端口的結(jié)構(gòu)及工作原理:

P2端口的一位結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖：

由圖可見(jiàn)，P2端口在片內(nèi)既有上拉電阻，又有切換開(kāi)關(guān)MUX，所以P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特點(diǎn)。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當(dāng)切換開(kāi)關(guān)向下接通時(shí)，從內(nèi)部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經(jīng)反相器和場(chǎng)效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上；當(dāng)多路開(kāi)關(guān)向上時(shí)，輸出的一位地址信號(hào)也經(jīng)反相器和場(chǎng)效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上。

對(duì)于8031單片機(jī)必須外接程序存儲(chǔ)器才能構(gòu)成應(yīng)用電路（或者我們的應(yīng)用電路擴(kuò)展了外部存儲(chǔ)器），而P2端口就是用來(lái)周期性地輸出從外存中取指令的地址(高8位地址)，因此，P2端口的多路開(kāi)關(guān)總是在進(jìn)行切換，分時(shí)地輸出從內(nèi)部總線來(lái)的數(shù)據(jù)和從地址信號(hào)線上來(lái)的地址。因此P2端口是動(dòng)態(tài)的I/O端口。輸出數(shù)據(jù)雖被鎖存，但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。其實(shí)，這里輸出的數(shù)據(jù)往往也是一種地址，只不過(guò)是外部RAM的高8位地址。

在輸入功能方面，P2端口與P0和H端口相同，有讀引腳和讀鎖存器之分，并且P2端口也是準(zhǔn)雙向口。

可見(jiàn)，P2端口的主要特點(diǎn)包括：

①不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù)；

②自身輸出外部程序存儲(chǔ)器的高8位地址；

②執(zhí)行MOVX指令時(shí)，還輸出外部RAM的高位地址，故稱P2端口為動(dòng)態(tài)地址端口。

即然P2口可以作為I/O口使用，也可以作為地址總線使用，下面我們就不分析下它的兩種工作狀態(tài)。

1、作為I/O端口使用時(shí)的工作過(guò)程

當(dāng)沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器或雖然有外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但容易不大于256B，即不需要高8位地址時(shí)（在這種情況下，不能通過(guò)數(shù)據(jù)地址寄存器DPTR讀寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），P2口可以I/O口使用。這時(shí)，“控制”信號(hào)為“0”，多路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向鎖存器同相輸出端Q，輸出信號(hào)經(jīng)內(nèi)部總線→鎖存器同相輸出端Q→反相器→V2管柵極→V2管9漏極輸出。

由于V2漏極帶有上拉電阻，可以提供一定的上拉電流，負(fù)載能力約為8個(gè)TTL與非門；作為輸出口前，同樣需要向鎖存器寫入“1”，使反相器輸出低電平，V2管截止，即引腳懸空時(shí)為高電平，防止引腳被鉗位在低電平。讀引腳有效后，輸入信息經(jīng)讀引腳三態(tài)門電路到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。

2、作為地址總線使用時(shí)的工作過(guò)程

P2口作為地址總線時(shí)，“控制”信號(hào)為‘1’，多路開(kāi)關(guān)車向地址線（即向上接通），地址信息經(jīng)反相器→V2管柵極→漏極輸出。由于P2口輸出高8位地址，與P0口不同，無(wú)須分時(shí)使用，因此P2口上的地址信息（程序存儲(chǔ)器上的A15~A8）功數(shù)據(jù)地址寄存器高8位DPH保存時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)須鎖存。

四、P3端口的結(jié)構(gòu)及工作原理

P3口是一個(gè)多功能口，它除了可以作為I/O口外，還具有第二功能，P3端口的一位結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。

由上圖可見(jiàn)，P3端口和Pl端口的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅在于P3端口的各端口線有兩種功能選擇。當(dāng)處于第一功能時(shí)，第二輸出功能線為1，此時(shí)，內(nèi)部總線信號(hào)經(jīng)鎖存器和場(chǎng)效應(yīng)管輸入/輸出，其作用與P1端口作用相同，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)處于第二功能時(shí)，鎖存器輸出1，通過(guò)第二輸出功能線輸出特定的內(nèi)含信號(hào)，在輸入方面，即可以通過(guò)緩沖器讀入引腳信號(hào)，還可以通過(guò)替代輸入功能讀入片內(nèi)的特定第二功能信號(hào)。由于輸出信號(hào)鎖存并且有雙重功能，故P3端口為靜態(tài)雙功能端口。

P3口的特殊功能（即第二功能）：

使P3端品各線處于第二功能的條件是:

1、串行I/O處于運(yùn)行狀態(tài)(RXD,TXD);

2、打開(kāi)了處部中斷(INT0,INT1);

3、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器處于外部計(jì)數(shù)狀態(tài)(T0,T1)

4、執(zhí)行讀寫外部RAM的指令(RD,WR)

在應(yīng)用中,如不設(shè)定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的產(chǎn)生不用設(shè)置),則P3端口線自動(dòng)處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài)I／O端口的工作狀態(tài)。在更多的場(chǎng)合是根據(jù)應(yīng)用的需要，把幾條端口線設(shè)置為第二功能，而另外幾條端口線處于第一功能運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，不宜對(duì)P3端口作字節(jié)操作，需采用位操作的形式。

端口的負(fù)載能力和輸入／輸出操作:

P0端口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。如需增加負(fù)載能力，可在P0總線上增加總線驅(qū)動(dòng)器。P1，P2，P3端口各能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。

前已述及，由于P0-P3端口已映射成特殊功能寄存器中的P0一P3端口寄存器，所以對(duì)這些端口寄存器的讀／寫就實(shí)現(xiàn)了信息從相應(yīng)端口的輸入／輸出。例如：

MOV A， P1 ；把Pl端口線上的信息輸入到A

MoV P1， A ；把A的內(nèi)容由P1端口輸出

MOV P3， #0FFH ；使P3端口線各位置l

這里我們已將51單片機(jī)的4個(gè)8位的并行口跟大家一起來(lái)分析了一下~

三、編碼及譯碼器工作原理分析

這里主要簡(jiǎn)單介紹下，學(xué)過(guò)數(shù)字電路對(duì)編碼譯碼了解的朋友可以跳過(guò)這部分。

把所使用的每一種二進(jìn)制代碼狀態(tài)都賦于特定的含義，表示一個(gè)特定的信號(hào)或?qū)ο?，叫編碼。如用四位二進(jìn)制數(shù)的0000~1001這十種狀太，分別表示0~9這十個(gè)十進(jìn)制數(shù)碼，稱為8421編碼。反過(guò)來(lái)把代碼的特定含義翻譯出來(lái)，稱為譯碼。

計(jì)算機(jī)在處理各種文字符號(hào)或數(shù)碼時(shí)，必須把這些信息進(jìn)行二進(jìn)制編碼，在編碼時(shí)所使用的第一種二進(jìn)制代碼狀態(tài)都賦予了特定的含義，即表示一個(gè)確定的信號(hào)或者對(duì)象，實(shí)現(xiàn)這種功能的電路叫編碼器，如用于鍵盤的BCD碼，ASCII碼編碼器等。

單片機(jī)外圍電路用譯碼器較多，所以在這節(jié)課我們主要與大家一起來(lái)學(xué)習(xí)下譯碼器的工作原理（購(gòu)買了本站產(chǎn)品的朋友，在我們配套的多媒體教學(xué)光盤中有相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，建議大家觀看），把代碼的含義‘翻譯’成相應(yīng)的輸出信號(hào)，以表示其原意。其功能恰恰與編碼器相反。

譯碼器可以將輸入代碼的狀態(tài)翻譯成相應(yīng)的輸出信號(hào)，以高、低電平的形式在各自的輸出端口送出，以表示其意愿。譯碼器有多個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端。假如輸入的端個(gè)數(shù)為，每個(gè)輸出端只能有兩個(gè)狀態(tài)，則輸出端個(gè)數(shù)最多有2n個(gè)。常用譯碼器輸入、輸出端頭數(shù)來(lái)稱呼譯碼器，如3線-8線譯碼器，4線-10線譯碼器等。我們經(jīng)常用到的74138就是一個(gè)三線-八線譯碼器，朋友們可以到百度搜索74138的中文資料。

編碼、譯碼的概念我們了解下，下面我們就來(lái)重點(diǎn)來(lái)講一下三-八譯碼器的工作原理，這在我們51單片機(jī)的接口電路中也是經(jīng)常用到的。

74138的工作原理如下圖所示：

從上圖可看出，74138有三個(gè)輸入端：A0、A1、A2和八個(gè)輸出端Q0~Q7。當(dāng)輸入端A0、A1、A2的編碼為000時(shí)，譯碼器輸出為Q0=0，而Q1~Q7=1。即Q0對(duì)應(yīng)于A0、A1、A2為000狀態(tài)，低電平有效。A0、A1、A2的另外7種組合見(jiàn)后面的真值表。

圖中S1、S2、S3為使能控制端，起到控制譯碼器是否能進(jìn)行譯碼的作用。只有S1為高電平，S2、S3均為低電平時(shí)，才能進(jìn)行譯碼，否則不論輸入羰輸入為何值，每個(gè)輸出端均為1。

下圖是輸入端A0、A1、A2為000，控制端S1=1、S1=0、S2=0的電平示意圖（紅色數(shù)字為端口電平），大家可按下圖進(jìn)行分析，也可以分析輸出端另外七種組合時(shí)的輸出情況。

四、51單片機(jī)CPU結(jié)構(gòu)分析

在前面的文章里我們已知道了單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)8位的CPU，同時(shí)知道了CPU內(nèi)部包含了運(yùn)算器，控制器及若干寄存器。在這節(jié)課，我們就與大家一起來(lái)討論一下51單片機(jī)CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。

從上圖中我們可以看到，在虛線框內(nèi)的就是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了，8位的MCS-51單片機(jī)的CPU內(nèi)部有數(shù)術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序狀態(tài)字PSW（8位）、程序計(jì)數(shù)器PC（有時(shí)也稱為指令指針，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、數(shù)據(jù)寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令譯碼器ID、控制器等部件組成。

1、運(yùn)算器（ALU）的主要功能

A）算術(shù)和邏輯運(yùn)算，可對(duì)半字節(jié)（一個(gè)字節(jié)是8位，半個(gè)字節(jié)就是4位）和單字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

B）加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術(shù)運(yùn)算。

C）與、或、異或、求補(bǔ)、循環(huán)等邏輯運(yùn)算。

D）位處理功能（即布爾處理器）。

由于ALU內(nèi)部沒(méi)有寄存器，參加運(yùn)算的操作數(shù)，必須放在累加器A中。累加器A也用于存放運(yùn)算結(jié)果。

例如：執(zhí)行指令 ADD A，B

執(zhí)行這條指令時(shí)，累加器A中的內(nèi)容通過(guò)輸入口In_1輸入ALU，寄存器B通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線經(jīng)輸入口In_2輸入ALU，A+B的結(jié)果通過(guò)ALU的輸出口Out、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，送回到累加器A。

2、程序計(jì)數(shù)器PC

PC的作用是用來(lái)存放將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對(duì)64K ROM直接尋址，PC低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。也就是說(shuō)，程序執(zhí)行到什么地方，程序計(jì)數(shù)器PC就指到哪里，它始終是跟躥著程序的執(zhí)行。我們知道，用戶程序是存放在內(nèi)部的ROM中的，我們要執(zhí)行程序就要從ROM中一個(gè)個(gè)字節(jié)的讀出來(lái)，然后到CPU中去執(zhí)行，那么ROM具體執(zhí)行到哪一條呢？這就需要我們的程序計(jì)數(shù)器PC來(lái)指示。

程序計(jì)數(shù)器PC具有自動(dòng)加1的功能，即從存儲(chǔ)器中讀出一個(gè)字節(jié)的指令碼后，PC自動(dòng)加1（指向下一個(gè)存儲(chǔ)單元）。

3、指令寄存器IR

指令寄存器的作用就是用來(lái)存放即將執(zhí)行的指令代碼。

在這里我們先簡(jiǎn)單的了解下CPU執(zhí)行指令的過(guò)程，首先由程序存儲(chǔ)器（ROM）中讀取指令代碼送入到指令寄存器，經(jīng)譯碼器譯碼后再由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，從而完成指令的功能。關(guān)于指令在單片機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行過(guò)程，我們?cè)诤竺鎸?huì)在后面的文章里進(jìn)行詳細(xì)的講解。

4、指令譯碼器ID

用于對(duì)送入指令寄存器中的指令進(jìn)行譯碼，所謂譯碼就是把指令轉(zhuǎn)變成執(zhí)行此指令所需要的電信號(hào)。當(dāng)指令送入譯碼器后，由譯碼器對(duì)該指令進(jìn)行譯碼，根據(jù)譯碼器輸出的信號(hào)，CPU控制電路定時(shí)地產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的各種控制信號(hào)，使單片機(jī)正確的執(zhí)行程序所需要的各種操作。

5、地址寄存器AR（16位）

AR的作用是用來(lái)存放將要尋址的外部存儲(chǔ)器單元的地址信息，指令碼所在存儲(chǔ)單元的地址編碼，由程序計(jì)數(shù)器PC產(chǎn)生，而指令中操作數(shù)所在的存儲(chǔ)單元地址碼，由指令的操作數(shù)給定。從上圖中我們可以看到，地址寄存器AR通過(guò)地址總線AB與外部存儲(chǔ)器相連。

6、數(shù)據(jù)寄存器DR

用于存放寫入外部存儲(chǔ)器或I/O端口的數(shù)據(jù)信息?？梢?jiàn)，數(shù)據(jù)寄存器對(duì)輸出數(shù)據(jù)具有鎖存功能。數(shù)據(jù)寄存器與外部數(shù)據(jù)總線DB直接相連。

7、程序狀態(tài)字PSW

用于記錄運(yùn)算過(guò)程中的狀態(tài)，如是否溢出、進(jìn)位等。

例如，累加器A的內(nèi)容83H，執(zhí)行：

ADD A，#8AH ；累加器A與立即數(shù)8AH相加，并把結(jié)果存放在A中。

指令后，將產(chǎn)生和的結(jié)果為[1]0DH，而累加器A只有8位，只能存放低8位，即0DH，元法存放結(jié)果中的最高位B8。為些，在CPU內(nèi)設(shè)置一個(gè)進(jìn)位標(biāo)志位C，當(dāng)執(zhí)行加法運(yùn)算出現(xiàn)進(jìn)位時(shí)，進(jìn)位標(biāo)志位C為1。

8、時(shí)序部件

由時(shí)鐘電路和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)

五、存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理

存儲(chǔ)器：用來(lái)存放計(jì)算機(jī)中的所有信息：包括程序、原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果及最終結(jié)果等。

只讀存儲(chǔ)器（ROM）：只讀存儲(chǔ)器在使用時(shí)，只能讀出而不能寫入，斷電后ROM中的信息不會(huì)丟失。因此一般用來(lái)存放一些固定程序，如監(jiān)控程序、子程序、字庫(kù)及數(shù)據(jù)表等。ROM按存儲(chǔ)信息的方法又可分為以下幾種：

1、掩膜ROM：

掩膜ROM也稱固定ROM，它是由廠家編好程序?qū)懭隦OM（稱固化）供用戶使用，用戶不能更改內(nèi)部程序，其特點(diǎn)是價(jià)格便宜。

2、可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）：

它的內(nèi)容可由用戶根據(jù)自已所編程序一次性寫入，一旦寫入，只能讀出，而不能再進(jìn)行更改，這類存儲(chǔ)器現(xiàn)在也稱為OTP（Only Time Programmable）。

3、可改寫的只讀存儲(chǔ)器EPROM：

前兩種ROM只能進(jìn)行一次性寫入，因而用戶較少使用，目前較為流行的ROM芯片為EPROM。因?yàn)樗膬?nèi)容可以通過(guò)紫外線照射而徹底擦除，擦除后又可重新寫入新的程序。

4、可電改寫只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）：

EEPROM可用電的方法寫入和清除其內(nèi)容，其編程電壓和清除電壓均與微機(jī)CPU的5V工作電壓相同，不需另加電壓。它既有與RAM一樣讀寫操作簡(jiǎn)便，又有數(shù)據(jù)不會(huì)因掉電而丟失的優(yōu)點(diǎn)，因而使用極為方便?，F(xiàn)在這種存儲(chǔ)器的使用最為廣泛。

隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）：

這種存儲(chǔ)器又叫讀寫存儲(chǔ)器。它不僅能讀取存放在存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，還能隨時(shí)寫入新的數(shù)據(jù)，寫入后原來(lái)的數(shù)據(jù)就丟失了。斷電后RAM中的信息全部丟失。因些，RAM常用于存放經(jīng)常要改變的程序或中間計(jì)算結(jié)果等信息。

RAM按照存儲(chǔ)信息的方式，又可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種：

1、靜態(tài)SRAM：其特點(diǎn)是只要有電源加于存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)就能長(zhǎng)期保存。

2、動(dòng)態(tài)DRAM：寫入的信息只能保存若干ms時(shí)間，因此，每隔一定時(shí)間必須重新寫入一次，以保持原來(lái)的信息不變。

可現(xiàn)場(chǎng)改寫的非易失性存儲(chǔ)器：

這種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是：從原理上看，它們屬于ROM型存儲(chǔ)器，從功能上看，它們又可以隨時(shí)改寫信息，作用又相當(dāng)于RAM。所以，ROM、RAM的定義和劃分已逐漸的失去意義。

1、快擦寫存儲(chǔ)器（FLASH）

這種存儲(chǔ)器是在EPROM和EEPROM的制造基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種非易失性存儲(chǔ)器。其集成度高，制造成本低于DRAM，既具有SRAM讀寫的靈活性和較快的訪問(wèn)速度，又具有ROM在斷電后可不丟失信息的特點(diǎn)，所以發(fā)展迅速。

2、鐵電存儲(chǔ)器FRAM

它是利用鐵電材料極化方向來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。它的特點(diǎn)是集成度高，讀寫速度快，成本低，讀寫周期短。

通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們已知道存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的重組成部份。存儲(chǔ)器是由大量緩沖寄存器組成的，其用途是存放程序和數(shù)據(jù)，使計(jì)算機(jī)具有記憶功能。這些程序和數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中是以二進(jìn)制代碼表示的。根據(jù)計(jì)算機(jī)的命令，按照指定地址，可以把代碼取出來(lái)或存入新代碼。

在這，我們的學(xué)習(xí)重點(diǎn)就是來(lái)研究一下存儲(chǔ)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及其存儲(chǔ)器的主要的技術(shù)指標(biāo)。

第一個(gè)要學(xué)習(xí)的問(wèn)題：存儲(chǔ)器單元和存儲(chǔ)單元地址：

存儲(chǔ)器是由大量寄存器組成的，其中每一個(gè)寄存器就稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。它可存放一個(gè)有獨(dú)立意義的二進(jìn)制代碼。一個(gè)代碼由若干位（bit）組成，代碼的位數(shù)稱為位長(zhǎng)，習(xí)慣上也稱為字長(zhǎng)。

每個(gè)存儲(chǔ)單元存放幾位二進(jìn)制數(shù)呢？一般情況下，計(jì)算機(jī)中一個(gè)代碼的位數(shù)和它的算術(shù)運(yùn)算單元的位數(shù)是相同的。例如，8051單片機(jī)中算術(shù)單元是8位，則字長(zhǎng)就是8位。在計(jì)算機(jī)中把一個(gè)8位的二進(jìn)制代碼稱為一個(gè)字節(jié)（Byte），常寫為B。對(duì)于一個(gè)8位二進(jìn)制代碼的最低位稱為第0位（位0），最高位稱為第7位（位7）。

在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器往往有成千上萬(wàn)個(gè)存儲(chǔ)單元，為了使存入和取出不發(fā)生混淆，必須給每個(gè)存儲(chǔ)單元一個(gè)唯一的固定編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就稱為存儲(chǔ)單元的地址。因?yàn)榇鎯?chǔ)單元的數(shù)量很大，我們不可能每個(gè)存儲(chǔ)單元都把線引到外部，如果每個(gè)存儲(chǔ)單元都引根線到外部，那一個(gè)8位的單片機(jī)就需外向外部引出65536根線了，這在現(xiàn)實(shí)中是不可能的。為了減少存儲(chǔ)器向外引出的地址線，在存儲(chǔ)器內(nèi)部都帶有譯碼器。根據(jù)二進(jìn)制編碼、譯碼的原理，除地線公用之外，n根導(dǎo)線可以譯成2n個(gè)地址號(hào)。例如，當(dāng)?shù)刂肪€為3根時(shí)，可以譯成23=8個(gè)地址號(hào)；地址線為3根時(shí)，可以譯成28=256個(gè)地址號(hào)。依此類推，在8051單片機(jī)中有16根地址線，也就是說(shuō)在8051單片機(jī)中有216=65 536個(gè)地址號(hào)，地址號(hào)的多少就是我們尋址范圍的大小，也就是前面我們提到過(guò)的8051單片機(jī)的尋址范圍是64K。

從上面的介紹可以看出，存儲(chǔ)單元地址和這個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容含義是不同的。存儲(chǔ)單元如同一個(gè)旅館的每個(gè)房間；存儲(chǔ)單元地址則相當(dāng)于每個(gè)房間的房間號(hào)；存儲(chǔ)單元內(nèi)容（二進(jìn)制代碼）就相當(dāng)于這個(gè)房間的房客。

前面我們已講過(guò)，8051的單片機(jī)有16根地址線，它的存儲(chǔ)地址有216=65 536個(gè)，這么多的存儲(chǔ)地址，而地址線卻只有16根，我們?cè)趺从?6根地址線來(lái)控制這6萬(wàn)多個(gè)存儲(chǔ)地址呢？接下來(lái)我們就這個(gè)問(wèn)題與大家一起做個(gè)探討：在上節(jié)課《第九課：51單片機(jī)CPU的結(jié)構(gòu)》時(shí)我們已知道，在51單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)叫做譯碼器的部件。用16根地址線來(lái)控制65536個(gè)存儲(chǔ)地址，就是用譯碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

我們知道，計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，這可令我們非常的難以理解，計(jì)算機(jī)嗎，里面只不過(guò)是一些電子元件組成的，怎能么可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算呢？我們做數(shù)學(xué)題時(shí)如25+36是這樣做的，先在紙上寫25，然后在下面寫36，然后大腦運(yùn)算，最后寫出結(jié)果，運(yùn)算的原材料：25、36和結(jié)果61都是寫在紙上的。計(jì)算機(jī)中又是怎樣存放的呢？為了解決定個(gè)問(wèn)題，我們先做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：

下面有一盞燈，我們知道燈要么亮，要么不亮，就有兩種狀態(tài)，我們可以用“0”和“1”來(lái)代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為“1”，不亮為“0”。南以上兩盞燈，一共有幾種狀態(tài)呢？

上面已例出，兩盞燈可以表達(dá)成00 01 10 11四種狀態(tài)，那么三盞燈呢？

三盞燈應(yīng)該就是可以表達(dá)成000 001 010 011 100 101 110 111八種狀態(tài)，

如果是八盞燈呢？那么其狀就表達(dá)就是00000000 00000001 00000010。。。。。11111111 共256種狀態(tài)。

我們來(lái)看，上面這些000 001 010。。。。等等這些數(shù)不就是我們學(xué)過(guò)的二進(jìn)制數(shù)嗎？本來(lái)燈的亮滅是一種物理現(xiàn)象，可當(dāng)我們把它們按一定的順序排列好后，燈的亮和滅就代表數(shù)字了。讓我們?cè)俪橄笠徊?，燈為什么?huì)亮呢？是因?yàn)檩敵鲭娐份敵龈唠娖剑o燈通了電。因此，燈亮和滅就可以用電路的輸出是高電平還是低電平來(lái)代替了。這樣，數(shù)字就和電平的高、低聯(lián)系上了。

位的含義：通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)我們已知道：一盞燈亮或者說(shuō)一根線的電平的高低，可以代表兩種狀態(tài)：0和1。實(shí)際上這就是一個(gè)二進(jìn)制位，困此我們把一根線（或者一盞燈）稱為一“位”，用BIT表示。

字節(jié)的含義：一根線可以表示0和1，兩根線可以表達(dá)00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是可以表示0到3，而三根給可以表達(dá)0至7，計(jì)算機(jī)中通常用8根線放在一起，同時(shí)計(jì)數(shù)，就可以表達(dá)到0~255共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱之為一個(gè)字節(jié)（BYTE）。不要問(wèn)我為什么是8根而不是其它數(shù)，因?yàn)槲乙膊恢?。（?jì)算機(jī)是一個(gè)人造的世界，不是自然界，很多事情無(wú)法問(wèn)為什么，只能說(shuō)：字是一種規(guī)定，大家在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中也要注意這個(gè)問(wèn)題）。

存儲(chǔ)器是用來(lái)存放數(shù)據(jù)的地方。它是利用電平的高低來(lái)存放數(shù)據(jù)的。也就是說(shuō)，它存放的實(shí)際上是電平的高、低，而不是我們習(xí)慣認(rèn)為的1234這樣的數(shù)字。下面我們就來(lái)看看，單片機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)器是怎樣來(lái)尋址的，也就是怎么來(lái)找到我們存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)。

MCS-51單片機(jī)在物理結(jié)構(gòu)上有四個(gè)存儲(chǔ)空間：

1、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器

2、片外程序存儲(chǔ)器

3、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

4、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

但在邏輯上，即從用戶的角度上，8051單片機(jī)有三個(gè)存儲(chǔ)空間：

1、片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64K的程序存儲(chǔ)器地址空間

2、256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間

3、以及64K片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間

在訪問(wèn)三個(gè)不同的邏輯空間時(shí)，應(yīng)采用不同形式的指令（具體我們?cè)诤竺娴闹噶钕到y(tǒng)學(xué)習(xí)時(shí)將會(huì)講解），以產(chǎn)生不同的存儲(chǔ)器空間的選通信號(hào)。

程序存儲(chǔ)器

一個(gè)微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務(wù)，除了它們強(qiáng)大的硬件外，還需要它們運(yùn)行的軟件，其實(shí)微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)計(jì)人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲(chǔ)器中，俗稱只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）。程序相當(dāng)于給微處理器處理問(wèn)題的一系列命令。其實(shí)程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機(jī)器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲(chǔ)器中。

MCS-51具有64kB程序存儲(chǔ)器尋址空間，它是用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。對(duì)于內(nèi)部無(wú)ROM的8031單片機(jī)，它的程序存儲(chǔ)器必須外接，空間地址為64kB，此時(shí)單片機(jī)的 端必須接地。強(qiáng)制CPU從外部程序存儲(chǔ)器讀取程序。對(duì)于內(nèi)部有ROM的8051等單片機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)， 則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲(chǔ)中讀取程序，當(dāng)PC值超過(guò)內(nèi)部ROM的容量時(shí)，才會(huì)轉(zhuǎn)向外部的程序存儲(chǔ)器讀取程序。

當(dāng) =1時(shí)，程序從片內(nèi)ROM開(kāi)始執(zhí)行，當(dāng)PC值超過(guò)片內(nèi)ROM容量時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部ROM空間。

當(dāng) =0時(shí)，程序從外部存儲(chǔ)器開(kāi)始執(zhí)行，例如前面提到的片內(nèi)無(wú)ROM的8031單片機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中就要把8031的 引腳接為低電平。

8051片內(nèi)有4kB的程序存儲(chǔ)單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機(jī)啟動(dòng)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。但在程序存儲(chǔ)中有些特殊的單元，這在使用中應(yīng)加以注意：

其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復(fù)位后，PC為0000H，單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開(kāi)始，則應(yīng)在這三個(gè)單元中存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，讓CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序。

另一組特殊單元是0003H—002AH，這40個(gè)單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如下：

0003H—000AH 外部中斷0中斷地址區(qū)。

000BH—0012H 定時(shí)/計(jì)數(shù)器0中斷地址區(qū)。

0013H—001AH 外部中斷1中斷地址區(qū)。

001BH—0022H 定時(shí)/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū)。

0023H—002AH 串行中斷地址區(qū)。

可見(jiàn)以上的40個(gè)單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應(yīng)后，按中斷的類型，自動(dòng)轉(zhuǎn)到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。從上面可以看出，每個(gè)中斷服務(wù)程序只有8個(gè)字節(jié)單元，用8個(gè)字節(jié)來(lái)存放一個(gè)中斷服務(wù)程序顯然是不可能的。因此以上地址單元不能用于存放程序的其他內(nèi)容，只能存放中斷服務(wù)程序。但是通常情況下，我們是在中斷響應(yīng)的地址區(qū)安放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲(chǔ)器的其它真正存放中斷服務(wù)程序的空間去執(zhí)行,這樣中斷響應(yīng)后，CPU讀到這條轉(zhuǎn)移指令，便轉(zhuǎn)向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

下圖是ROM的地址分配圖：

從上圖中大家可以看到，0000H-0002H，只有三個(gè)存儲(chǔ)單元，3個(gè)存儲(chǔ)單元在我們的程序存放時(shí)是存放不了實(shí)際意義的程序的，通常我們?cè)趯?shí)際編寫程序時(shí)是在這里安排一條ORG指令，通過(guò)ORG指令跳轉(zhuǎn)到從0033H開(kāi)始的用戶ROM區(qū)域，再來(lái)安排我們的程序語(yǔ)言。從0033開(kāi)始的用戶ROM區(qū)域用戶可以通過(guò)ORG指令任意安排，但在應(yīng)用中應(yīng)注意，不要超過(guò)了實(shí)際的存儲(chǔ)空間，不然程序就會(huì)找不到。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（不同的型號(hào)有分別），片外最多可擴(kuò)展64KB的RAM，構(gòu)成兩個(gè)地址空間，訪問(wèn)片內(nèi)RAM用“MOV”指令，訪問(wèn)片外RAM用“MOVX”指令。它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過(guò)程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間，即：

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間（低128單元）；

特殊功能寄存器空間（高128單元）；

這兩個(gè)空間是相連的，從用戶角度而言，低128單元才是真正的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。下面我們就來(lái)詳細(xì)的與大家講解一下：

低128單元：

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為8位地址，所以最大可尋址的范圍為256個(gè)單元地址，對(duì)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用間接尋址方式，R0、R1和DPTR都可以做為間接尋址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的尋址范圍最大為256個(gè)單元，而DPTR是16位地址指針，尋址范圍就可達(dá)到64KB。也就是說(shuō)在尋址片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，尋址范圍超過(guò)了256B，就不能用R0、R1做為間接尋址寄存器，而必須用DPTR寄存器做為間接尋址寄存器。

從上圖中我們可以看到，8051單片機(jī)片內(nèi)RAM共有256個(gè)單元（00H-FFH），這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個(gè)字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個(gè)字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。從圖1中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布。

1、通用寄存器區(qū)（00H-1FH）

在00H—1FH共32個(gè)單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個(gè)8位寄存器，均以R0—R7來(lái)命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器。這四塊中的寄存器都稱為R0—R7，那么在程序中怎么區(qū)分和使用它們呢？聰明的INTEL工程師們又安排了一個(gè)寄存器——程序狀態(tài)字寄存器（PSW）來(lái)管理它們，CPU只要定義這個(gè)寄存的PSW的D3和D4位（RS0和RS1），即可選中這四組通用寄存器。對(duì)應(yīng)的編碼關(guān)系如下表所示。惹程序中并不需要用4組，那么其余的可用做一般的數(shù)據(jù)緩沖器，CPU在復(fù)位后，選中第0組工作寄存器。

2、位尋址區(qū)（20H-2FH）

片內(nèi)RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對(duì)它們的位進(jìn)行尋址。位尋址區(qū)共有16個(gè)字節(jié)，128個(gè)位，位地址為00H—7FH。位地址分配如下表所示：

CPU能直接尋址這些位，執(zhí)行例如置“1”、清“0”、求“反”、轉(zhuǎn)移，傳送和邏輯等操作。我們常稱MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲(chǔ)空間指的就是這些為尋址區(qū)。

3、用戶RAM區(qū)（30H-7FH）

在片內(nèi)RAM低128單元中，通用寄存器占去32個(gè)單元，位尋址區(qū)占去16個(gè)單元，剩下的80個(gè)單元就是供用戶使用的一般RAM區(qū)了，地址單元為30H-7FH。對(duì)這部份區(qū)域的使用不作任何規(guī)定和限制，但應(yīng)說(shuō)明的是，堆棧一般開(kāi)辟在這個(gè)區(qū)域。

高128單元：（80H-FFH）

前面提到，在片內(nèi)的RAM中，高128位是專用寄存器區(qū)，因這節(jié)比較重要，所以我們單獨(dú)的安排一節(jié)課跟大家介紹。下節(jié)課我們就重點(diǎn)介紹51單片機(jī)片內(nèi)RAM的高128位，即專用寄存器區(qū)。