1、本章將以C8051F系列單片機(jī)中功能較全面、應(yīng)用較廣泛的C8051F02x子系列為典型例子，重點介紹以CIP-51為內(nèi)核的C8051F系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、存儲器組織、時鐘系統(tǒng)及復(fù)位源等。,第二章 C8051F單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理,第二章 C8051F單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理,C8051F系列單片機(jī)的微控制器內(nèi)核稱為CIP-51，是在Intel公司標(biāo)準(zhǔn)8位8051單片機(jī)的組織結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和提高形成的。所有C8051F系列單片機(jī)的微控制器內(nèi)核都完全相同。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,CIP-51內(nèi)核是C8051F的中央處理器(CPU)部

2、分，主要完成運(yùn)算和控制功能，管理整個單片機(jī)系統(tǒng)的各個外設(shè)的工作。CIP-51的原理框圖如下圖所示，其組成與結(jié)構(gòu)和8051的原理結(jié)構(gòu)圖比較相似，圖的上半部分幾乎和8051完全一樣，下半部分也有近一半組成和8051樣。,2.1.1 CIP-51內(nèi)核的組成及結(jié)構(gòu),2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,不同的部分主要是增加了流水線結(jié)構(gòu)、存儲器和特殊功能寄存器SFR接口部分、電源控制與管理寄存器等。CIP-51微控制器中的SFR接口用于控制與管理模擬和數(shù)字外設(shè)功能部件，大大增強(qiáng)了處理能力。,2.1.1 CIP-51內(nèi)核的組成及結(jié)構(gòu),2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,(1)主要功能部件及組成與80

3、51相同； (2)與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容； (3)時鐘頻率為025MHz，執(zhí)行速度一般可達(dá)25兆指令/秒，有的型號最高執(zhí)行速度可達(dá)100兆指令/秒；,2.1.2 CIP-51內(nèi)核的特點,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,(4)增加了流水線結(jié)構(gòu)，70指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期； (5)與模數(shù)、數(shù)字外設(shè)有關(guān)的SFR移到核外，通過SFR接口與CPU交換信息； (6)中斷系統(tǒng)擴(kuò)展為可處理22個中斷源； (7)復(fù)位與時鐘電路不包括在核內(nèi)； (8)具有程序和數(shù)據(jù)存儲器安全管理功能。,2.1.2 CIP-51內(nèi)核的特點,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.2 CIP-5

4、1內(nèi)核的特點,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,1. 中央處理器(CPU) 中央處理器是單片機(jī)最核心的部分，主要完成運(yùn)算和控制功能，與通用微處理器是基本相同的，只是它的控制功能更強(qiáng)。C8051F系列的CPU是一個字長為8位的中央處理單元，即它對數(shù)據(jù)的處理是以字節(jié)為單位進(jìn)行的。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,2數(shù)據(jù)存儲器(內(nèi)部RAM) 數(shù)據(jù)存儲器用于存放變化的數(shù)據(jù)。C8051F內(nèi)核中數(shù)據(jù)存儲器的地址空間為00FFH，作為數(shù)據(jù)存儲器供用戶使用，共256個RAM單元。 C8051F中把控制與管理用的寄存器

5、統(tǒng)稱為特殊功能寄存器SFR，在邏輯地址上劃分在內(nèi)部RAM中，其地址為80HFFH，與部分RAM的地址是重疊的，需要通過不同的指令區(qū)分。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,3SFR總線接口 特殊功能寄存器SFR的總線接口用于控制與管理核外的數(shù)字與模擬功能模塊，以及所有的I/O端口等。通過編程可用于實現(xiàn)與外部設(shè)備中數(shù)據(jù)的并行或串行數(shù)字量的輸入輸出，有些I/O端口還可實現(xiàn)模擬量的輸人輸出。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,4.存儲器接口 C8051F單片機(jī)中大部分系列都有位于片上的外部數(shù)據(jù)存儲器空間RAM(

6、稱為XRAM)，除此，還可以向片外擴(kuò)展64KB RAM。存儲器接口就是用于控制與管理C8051F單片機(jī)片上和片外的數(shù)據(jù)存儲器，它們都需用MOVX指令訪問。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,5流水線結(jié)構(gòu) CIP-51采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，用于控制和管理取指令和執(zhí)行指令的過程。其已經(jīng)沒有機(jī)器周期時序，指令執(zhí)行的最小時序單位為系統(tǒng)時鐘，大部分指令只要1個2個系統(tǒng)時鐘即可完成。在流水線結(jié)構(gòu)中包括指令寄存器和指令譯碼器。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,一般的8051系列單片機(jī)是取一條指令，然后譯碼執(zhí)行，執(zhí)行

7、完之后再取下一條指令。但C8051F的取指令和執(zhí)行指令是同時進(jìn)行的，即在譯碼執(zhí)行當(dāng)前指令的同時，取下一條待執(zhí)行指令放在指令寄存器中，這樣在每個時鐘周期都有一條指令在執(zhí)行，同時又在取下一條指令，這種流水線結(jié)構(gòu)大大提高了單片機(jī)的執(zhí)行速度。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,6中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)的主要作用是對外部或內(nèi)部的中斷請求進(jìn)行管理與處理。C8051F系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)可以滿足一般控制應(yīng)用的需要，C8051F系列單片機(jī)的中斷源最多可達(dá)22個。,2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,2.1.3 CIP-51內(nèi)核的基本部件,數(shù)據(jù)總線緩沖器的作用是在C

8、PU內(nèi)外數(shù)據(jù)傳送時予以緩沖；地址寄存器用于存放存儲器或輸入輸出端口的地址值；內(nèi)核的復(fù)位源與時鐘信號由核外的片上系統(tǒng)提供。,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,C8051F系列單片機(jī)的各子系列結(jié)構(gòu)與原理基本相同，只是有一些小差別，如外部引腳數(shù)不同，封裝形式不同，功能模塊數(shù)量不同等。 本課程以應(yīng)用較多、較典型的C8051F02x(x為0、1、2、3)系列為主要實例，介紹C8051F單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理。,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),C8051F020單片機(jī)以8051內(nèi)核為中心，通過SFR總線、外部數(shù)據(jù)存儲器總線、系統(tǒng)時鐘線、復(fù)位線等與64KB閃存、4KB XRAM、數(shù)字功能

9、模塊(UART、SPI、定時器等)、模擬功能模塊(比較器、A/D、D/A等)、片上時鐘系統(tǒng)和JTAG邏輯電路等相連。是一個完整的單片機(jī)片上系統(tǒng)，可以用作為一個閉環(huán)測量控制系統(tǒng)。,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),下面對片上除CIP-51核外的功能模塊予以簡介 1、存儲器 (1) 4KB片上RAM，如果包括核內(nèi)的256 B RAM則C8051F02x總共有4352 B RAM； (2) 64KBFLASH存儲器，可以在線編程，每個扇區(qū)為512B； (3) 外部64KB數(shù)據(jù)存儲器接口(編程方式為復(fù)用方式或非復(fù)用方式)。,2.2 C805lF單

10、片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2數(shù)字外設(shè) C8051F02x單片機(jī)共有以下3種數(shù)字功能模塊，這些模塊的主要性能特點如下： 1)并行數(shù)字I/O端口 C8051F02x單片機(jī)的數(shù)字I/O端口均為8位，所有端口線均耐3V5V電壓，通過軟件編程大部分?jǐn)?shù)字I/O端口除可作為一般的通用I/O端口外，還可以作為其他功能模塊的輸入或輸出引腳。,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2)串行口 C805lF02x單片機(jī)具有3種串行口，即SMBu

11、s(與I2C兼容)串行總線接口、SPI串行總線接口及2個增強(qiáng)型UART異步串行接口，這3個串行接口可同時與外界進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),3)計數(shù)器定時器 C8051F02x的計數(shù)器/定時器有以下3類。 (1)可編程的16位計數(shù)器/定時器陣列PCA，5個捕捉比較模塊，6種工作方式； (2)5個通用16位計數(shù)器/定時器； (3)專用的看門狗定時器。,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,3模擬外設(shè) C8051F02x有6種模

12、擬功能模塊，這些模塊的主要性能特點如下: 1) 12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0 (1)轉(zhuǎn)換位數(shù)為12位(C8051F020/1) 10位(C8051F022/3)；,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,(2)轉(zhuǎn)換速率可編程，最大為100 ksps； (3)模擬輸入為8路，可編程為單端輸入或差分輸入，通過模擬多路選擇器選擇通道； (4)放大器增益可編程為：16,8,4,2,1,0.5 (5)數(shù)據(jù)越限檢測器； (6)內(nèi)置溫度傳感器(3)。,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2) 8位逐

13、次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1 (1)轉(zhuǎn)換位數(shù)為8位； (2)轉(zhuǎn)換速率可編程，最大為500ksps； (3)模擬輸入為8路，通過模擬多路選擇器選擇通道； (4)放大器增益可編程為：4,2,1,0.5。,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,3)兩路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 把12位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓量，可以產(chǎn) 生連續(xù)變化的波形，2路信號可同步輸出。 4)兩個模擬比較器 (1)具有正向與負(fù)向等8種可編程回差電壓值； (2)可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,5)電壓基準(zhǔn) 電壓基準(zhǔn)

14、主要用于給模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供電壓。 (1)內(nèi)部基準(zhǔn)(2.4V，溫度漂移為15x10-6)； (2)外部基準(zhǔn)輸入。,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,6)精確的VDD監(jiān)視器和降壓檢測器 可通過MONEN引腳允許或禁止VDD監(jiān)視器的工作。 芯片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描 (1)片內(nèi)調(diào)試電路通過JTAG接口可提供高速、方便的在系統(tǒng)調(diào)試；,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,(2)支持?jǐn)帱c、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器，支持觀察/修改存儲器和寄存器； (3)完全符合IEEE 1149.1邊界掃描

15、標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)可用于對器件引腳和SFR總線進(jìn)行控制、觀察和測試。,2.2.1 C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu),2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,5系統(tǒng)時鐘 C8051F系列單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘用于給單片機(jī)提供時序信號，可以選擇內(nèi)部或外部時鐘電路。,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,8051F系列單片機(jī)不同子系列單片機(jī)的引腳數(shù)量有較大差別。以C8051F02x為例，以引腳數(shù)量分為2種，即64個和100個，封裝形式是TQFP64、TQFP100，方形芯片，它的體積很小、很薄，是一種表面貼焊的封裝形式,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的

16、結(jié)構(gòu)與原理,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,2.2.2 引腳定義及功能,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,C8051F02x單片機(jī)的大部分I/O引腳都有2種或3種功能，但在復(fù)位時，一部分專用引腳的功能不變，例如電源、晶振、JTAG和部分模擬輸入引腳的功能是固定不變的，其他大部分引腳在復(fù)位時均為通用I/O端口的輸入狀態(tài)，當(dāng)需要把它們作為其他功能模塊的輸入或輸出引腳時，需要對它們進(jìn)行配置。,2.2.2 引腳定義

17、及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,下面對部分專用引腳的功能進(jìn)一步說明。 (1)VDD和GND各為3個引腳，使用時建議全部接上，這樣可提高抗干擾能力。 (2)如果在系統(tǒng)中沒有使用模擬部分，芯片的模擬電源V+和模擬地AGND也要連接。 (3)VREF端也可以作為帶隙電壓基準(zhǔn)輸出驅(qū)動其他電路，但要加一個24k左右的電阻把電流限制在100uA。,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,(4) 模擬功能模塊的引腳大部分為固定的專用引腳，例如8路模擬輸入AIN0AIN7、比較器輸入和DAC輸出等，但有8路模擬輸人是采用復(fù)用方式，即AIN1.0AIN1.7，對于AD

18、輸入端最好加限壓或限流保護(hù)。,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,(5)TMS、TCK、TDI和TDO引腳是專門用于JTAG接口的，所有的C8051F單片機(jī)都有這4個引腳，在片內(nèi)集成了一個以JTAG協(xié)議為基礎(chǔ)的調(diào)試電路。 C8051F2xx等有的型號的JTAG接口沒有邊界掃描功能。,2.2.2 引腳定義及功能,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,通過JTAG接口PC機(jī)實現(xiàn)對單片機(jī)閃存的讀/寫操作，并實現(xiàn)對單片機(jī)的在系統(tǒng)調(diào)試。且不需要專用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭及目標(biāo)RAM等，程序代碼直接下載到用戶的單片機(jī)閃存中，應(yīng)用既經(jīng)濟(jì)又方便。 不使用JTAG接口時，TMS、

19、TCK和TDI要直接接地或通過下拉電阻接地。 (6)MONEN引腳不能懸空，接VDD或地。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,C8051F單片機(jī)是一個完整的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。CIP-51內(nèi)核(8051核)實際是這個單片機(jī)系統(tǒng)的核心控制部分，這部分起關(guān)鍵作用的是CPU。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,CPU主要是由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成，控制器根據(jù)指令碼產(chǎn)生控制信號，統(tǒng)一指揮和控制計算機(jī)工作，使運(yùn)算器、存儲器、輸入輸出端口之間能自動協(xié)調(diào)地工作，它由指令部件和控制邏輯部件等部件組成。,2.2.

20、3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,CPU的功能是接收來自存儲器中的逐條指令，進(jìn)行指令譯碼。并通過定時和控制電路，在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的全部內(nèi)部控制信息及CPU外部所需的控制信號，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的各種操作。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,運(yùn)算器是用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作的執(zhí)行部件，包括算術(shù)/邏輯部件(ALU)、累加器(ACC)、暫存寄存器、程序狀態(tài)字寄存器(PSW)、通用寄存器等。 為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)增加了一個通用寄存器區(qū)和一些專用寄存器，還增加了位處理邏

21、輯電路的功能。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,單片機(jī)加電后，內(nèi)部時鐘電路立即開始工作(如果需要采用外部時鐘電路，啟動后 可通過軟件切換到外部時鐘電路)，在CPU啟動后，首先從程序存儲器的0000H地址取指令，開始執(zhí)行程序。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,單片機(jī)的工作實質(zhì)就是執(zhí)行程序的過程，即逐條執(zhí)行指令的過程。每執(zhí)行一條指令都可分為3個階段進(jìn)行，即取指令、分析指令和執(zhí)行指令。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,取指令 取指令的任務(wù)是根據(jù)程序計數(shù)

22、PC中的值，從程序存儲器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,分析指令 分析指令的任務(wù)是將指令寄存器中的指令操作碼取出后，存放到指令譯碼器進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,執(zhí)行指令 執(zhí)行指令的任務(wù)是取出操作數(shù)，然后按照操作碼的性質(zhì)對操作數(shù)進(jìn)行操作。即執(zhí)行指令。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,在C8051F，單片機(jī)中的流水線結(jié)構(gòu)使得取指令與執(zhí)行指令是同步進(jìn)行的

23、，即在執(zhí)行當(dāng)前指令的同時，取下一條指令，這大大提高了指令運(yùn)行速度。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,單片機(jī)剛加電時，外部或內(nèi)部復(fù)位信號首先使單片機(jī)復(fù)位，多數(shù)各功能模塊的初始復(fù)位狀態(tài)均為停機(jī)等待，為最小功耗狀態(tài)。 如果要使哪些功能模塊工作，則在程序的初始化部分首先通過軟件對需要使用的各模塊如定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行配置，使它們進(jìn)入工作模式，對于所采用的行些模塊的I/O引腳，需要通過功能選擇開關(guān)寄存器進(jìn)行配置后，才能與外部聯(lián)系。,2.2.3 C8051F單片機(jī)的工作原理,2.2 C805lF單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,一些功能模塊的引腳是固定的，例如DAC

24、、CP0+、CPO-、AIN0AIN7等。 當(dāng)片上的4KB RAM不能滿足要求，還需要增加數(shù)據(jù)存儲器時，則在初始化部分還要配置存儲器接口和相應(yīng)的I/O端門。 顯然，C8051F單片機(jī)的初始化過程要比其他單片機(jī)復(fù)雜。,2.3 存儲器,存儲器是計算機(jī)的主要組成部分，其用途是存放程序和數(shù)據(jù)，使計算機(jī)具有記憶功能。 程序和數(shù)據(jù)在存儲器中是以二進(jìn)制代碼表示的，根據(jù)計算機(jī)的命令，按照指定地址，可以把代碼取出來或存入新代碼。,2.3 存儲器,C8051F系列單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)與一般通用計算機(jī)不同。 一般通用計算機(jī)通常只有一個邏輯空間，即它的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是統(tǒng)一編址的。訪問存儲器時，同一地址對應(yīng)惟一的

25、存儲空間，可以是ROM也可以是RAM，并用同類訪問指令，這種存儲器結(jié)構(gòu)稱為馮諾伊曼結(jié)構(gòu)。,2.3.1 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間,2.3 存儲器,而C8051F系列單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)與80C51系列是類似的，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器在物理結(jié)構(gòu)上是分開的，這種結(jié)構(gòu)稱為哈佛結(jié)構(gòu)，下圖為C8051F02x的存儲器結(jié)構(gòu)與地址空間，圖中虛線框內(nèi)為片內(nèi)存儲器。可見，C8051F02x系列單片機(jī)的存儲器在物理結(jié)構(gòu)上可以分為以下4個存儲空間：,2.3.1 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間,2.3 存儲器,2.3.1 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間,2.3 存儲器,2.3 存儲器,在物理結(jié)構(gòu)上分為以下4個存儲空間： (1) 片內(nèi)統(tǒng)一編址的

26、64KB的程序存儲器地址空間(用16位地址)； (2) 256字節(jié)的CIP-51核內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間，尋址范圍為00H-FFH； (3) 4KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間； (4) 64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間。,2.3.1 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間,2.3 存儲器,通過采用不同形式的指令和不同的配置寄存器產(chǎn)生不同存儲空間的選通信號，可以訪問4個不同的邏輯空間。,2.3.1 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間,2.3 存儲器,程序存儲器用于存放編好的程序和非易失性數(shù)據(jù)表格等。在C8051F系列單片機(jī)中，所有的程序存儲器都采用可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器。一般擦寫次數(shù)為10萬次，擦除時間為10ms，寫入時間為5

27、0uS。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,1程序存儲器的結(jié)構(gòu)和地址分配 C8051F單片機(jī)的程序存儲器容量不同，分別有8KB、16KB、32KB和64KB幾種。例如C8051F02x片內(nèi)有64KB，則程序計數(shù)器PC在0000H0FFFFH范圍內(nèi)執(zhí)行程序。C8051F02x的所有取指令操作均在片內(nèi)程序存儲器中進(jìn)行。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,程序存儲器中有512B(FE00HFFFFH)保留給工廠使用，不能用于存儲用戶程序。位于地址010000H01007FH的128B扇區(qū)可以作為非易失性數(shù)據(jù)存儲器使用，但不能用于存儲用戶程序。該128B的扇區(qū)在程序存儲器空間的邏輯地址為000

28、0H00FFH，將PSCTL寄存器中的AD-FLASH位置1時，可以訪問該扇區(qū)。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,2程序存儲器的人口地址 在程序存儲器中，以下22個單元具有特殊用途。 0000H：單片機(jī)上電復(fù)位后，程序?qū)⒆詣訌?000H開始執(zhí)行指令。 0003H：外部中斷0入口。 000BH：定時器0溢出中斷入口。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,0013H：外部中斷1入口。 001BH：定時器1溢出中斷入口。 0023H：UART0串行口中斷入口。 002BH：定時器2溢出中斷入口。 0033H：SPI串行口中斷入口。 003BH：SMBus中斷入口。,2.3.2程序存儲器,2.

29、3 存儲器,0043H：ADC0中斷入口。 004BH：可編程計數(shù)器陣列中斷入口。 0053H：比較器0下降沿中斷入口。 005BH：比較器0上升沿中斷入口。 0063H：比較器1下降沿中斷入口。 006BH：比較器1上升沿中斷入口。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,0073H：定時器3溢出中斷入口。 007BH：ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷入口。 0083H：定時器4溢出中斷入口。 008BH：ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷入口。 0093H：外部中斷6中斷入口。 009BH：外部中斷7中斷入口。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,00A3H：UARTl中斷入口。 00ABH：外部晶振準(zhǔn)備好中斷入口

30、。 上述地址中，0000H是單片機(jī)復(fù)位后的起始地址，通常設(shè)計程序時，應(yīng)該在0000H0002H存放一條無條件跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計的主程序人口地址。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,0003H-000ABH之間的22個單元是外部中斷0等的中斷程序人口地址。通常在這些人口地址處存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址。 雖然這22個地址是固定的，但有些型號沒有22個中斷源，因而有些地址對這些型號是空的。建議這些地址也最好保留備用，主程序人口地址最好從B3H開始。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,3FLASH存儲器編程寄存器 通常程序存儲器是只讀的，而FLASH

31、存儲器可以通過JTAG接口或由軟件使用 MOVX指令對FLASH存儲器進(jìn)行在系統(tǒng)編程，每次一個字節(jié)。大大方便地重新編寫程序，并可把程序存儲器空間用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。,2.3.2程序存儲器,2.3 存儲器,對FLASH存儲器編程的最簡單的方法是使用由Silabs公司或第三方供應(yīng)商提供的編程工具，通過JTAG接口編程，這是對未初始化過的單片機(jī)的唯一編程方法。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,也可以使用MOVX指令對FLASH存儲器編程，像一般的操作數(shù)一樣，為MOVX指令提供待編程的地址和數(shù)據(jù)。在使用MOVX指令對FLASH存儲器寫入之前，必須對PSCTL寄存器和FLSCL寄存器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)

32、置。下面介紹這2個寄存器。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,1) 程序存儲器讀寫控制寄存器(PSCTL) 這個寄存器主要用于控制對程序存儲器的讀寫操作。其復(fù)位值為00000000B，為可讀寫寄存器。 其各位名及格式如下：,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,下面說明各標(biāo)志位的作用。 位73 未使用。 讀為0，寫忽略。 位2 SFLE： 臨時閃存訪問控制位。 當(dāng)SFLE=0時，用軟件訪問閃存時，將訪問64KB的程序數(shù)據(jù)閃存扇區(qū)；,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,當(dāng)SFLE=1時，用軟件訪問閃存時，將訪問128 B的臨時閃存扇區(qū)，即10000H1007FH范圍的臨時存儲器。此時

33、，所訪問的00H7FH地址，即10000H 1007FH范圍的臨時存儲器，此時不應(yīng)訪問00H 7FH以外的地址范圍，例如，不能訪問82H等地址。對該地址范圍以外的地址進(jìn)行讀寫操作可能產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,位1 PSEE： 閃存擦除控制位。 當(dāng)PSEE0時，禁止擦除閃存； 當(dāng)PSEE1時，允許擦除閃存中的一頁(前提是PSWE位也被置1)。在將該位置1后，用MOVX指令進(jìn)行一次寫操作，將擦除包含MOVX指令尋址地址的那個閃存頁。用于寫操作的數(shù)據(jù)可以是任意值。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,位0 PSWE： 閃存寫控制位。 當(dāng)PSWE0時，禁止寫閃存

34、； 當(dāng)PSWE1時，允許寫閃存，此時可以用MOVX指令向閃存寫一個字節(jié)。在寫數(shù)據(jù)之前必須先進(jìn)行擦除。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,2) 閃存定時預(yù)分頻寄存器(FLSCL) 這個寄存器主要用于選擇對程序存儲器的讀寫操作時的預(yù)分頻值。其復(fù)位值為10001111B，為可讀寫寄存器。 其各位名稱及格式如下：,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,下面說明各標(biāo)志位的作用。 位7 FOSE：閃存單穩(wěn)態(tài)定時器控制位。 位6 FRAE：閃存一直讀控制位。 位50 對于C8051F02x和其他單片機(jī)意義不同。 具體使用時查手冊,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,4用軟件對閃存編程的方法 C8

35、051F可以用MOVX指令可對閃存編程，但在使用MOVX指令前，必須把PSCTL寄存器中的程序存儲寫控制位PSWE設(shè)置為邏輯1，以允許對閃存的寫操作。在用軟件清除PSWE位之前，將一直允許寫操作。為了避免對閃存的誤寫，建議在PSWE為1期間禁止中斷。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,一旦把閃存中的某位清0，必須經(jīng)過擦除才能恢復(fù)為1。所以在重新編程之前，必須先擦除待編程的地址空間(置為0FFH)。為了保證操作正確，寫和擦除操作由硬件自動定時，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢來判斷寫擦除操作何時結(jié)束。 注意：不同型號單片機(jī)對于FLASH擦除和寫入的具體時間是由FLSCL中的FLASCL位設(shè)定。,2.3.

36、2 程序存儲器,2.3 存儲器,閃存是以512B的扇區(qū)為單位組織的，一次擦除操作將擦除整個扇區(qū)(置為FFH)。將程序存儲擦除允許位PSEE(PSCTL.1)和PSWE(PSCTL.0)設(shè)置為邏輯1后，用MOVX命令寫一個數(shù)據(jù)字節(jié)到扇區(qū)內(nèi)的任何地址，將擦除整個512B的扇區(qū)。寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)可以是任意值，因為不是真正對閃存寫入。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,下面是用軟件對閃存編程的步驟： (1)禁止中斷； (2)用FLSCL寄存器中的FLWE (FLSCL.0)，以允許閃存的寫擦除操作(對于C8051F02x)； (3)置位PSEE(PSCTL.1)以允許擦除閃存扇區(qū)；,2.3.2 程

37、序存儲器,2.3 存儲器,(4) 置位PSWE(PSCTL.0)以允許寫入閃存； (5) 用MOVX指令向待擦除扇區(qū)內(nèi)的任何一個地址寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)； (6) 清除PSEE以禁止擦除閃存扇區(qū)；,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,(7)用MOVX指令向剛擦除的扇區(qū)中所期望的地址寫入數(shù)據(jù)字節(jié)，并重復(fù)該步驟直到結(jié)束； (8)清除PSWE以禁止FLASH寫； (9)重新允許中斷。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,注意：在對閃存編程或擦除期間，CPU暫時停止執(zhí)行程序，外設(shè)如串行口、AD和定時器等仍可繼續(xù)工作，外設(shè)產(chǎn)生的中斷此時將被掛起，在擦寫完成后將按優(yōu)先級順序響應(yīng)。 對于C8051F02

38、x單片機(jī)，寫擦除時序完全由硬件自動控制。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,5非易失性臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū) 閃存除了用于存儲程序代碼之外，還可以用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。這一特性允許在程序運(yùn)行時計算和存儲一些不常改動的數(shù)據(jù)，如類似標(biāo)定系數(shù)這樣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入時用MOVX指令，讀出時用MOVC指令。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,5非易失性臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū) C8051F02x單片機(jī)的閃存中有一個附加的128B扇區(qū)，稱為臨時存儲器?？梢杂糜诖鎯Ψ且资詳?shù)據(jù)，有的也可以存儲程序。不同型號地址范圍不同，如C8051F00 x01X型號位于8000H0807FH，C8051F02x型號位于10000

39、H1007FH。對于C8051F00 x/01x和C8051F2xx型號，該扇區(qū)可用于存儲程序代碼或數(shù)據(jù)；而對于C8051F02x型號，該扇區(qū)只能用于存儲數(shù)據(jù)。,2.3 存儲器,5非易失性臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū) 由于這個附加的扇區(qū)容量較小，所以更適合作為通用的非易失性臨時存儲器。 閃存每次寫一個字節(jié)，但首先必須擦除整個扇區(qū)。為了修改一個多字節(jié)數(shù)據(jù)列中的某一個字節(jié)，首先必須把整個數(shù)據(jù)列保存到一個臨時存儲區(qū)；然后將扇區(qū)擦除，更新數(shù)據(jù)列；最后將更新后的數(shù)據(jù)列寫回到原扇區(qū)。,2.3 存儲器,5非易失性臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū) 對于C8051F02x單片機(jī)，這個附加的128B扇區(qū)與在64 KB閃存中的部分地址是重疊的，它

40、們共同的邏輯地址范圍是0000H007FH。為了訪問該扇區(qū)，必須把PSCTL寄存器中的SFLE位設(shè)置為邏輯1。該扇區(qū)不能用于存儲程序代碼。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,6安全選項 C8051F系列單片機(jī)具有保密功能的安全選項，可以保護(hù)閃存不會被軟件意外修改，并防止讀取程序代碼和常數(shù)，從而能保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。 閃存讀寫控制寄存器PSCTL就是用于保護(hù)閃存不被軟件修改。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,6安全選項 此外，通過設(shè)置安全鎖定字節(jié)和軟件讀限制，可以使C8051F防止通過JTAG接口或通過運(yùn)行在系統(tǒng)控制器上的軟件讀取和寫擦除程序代碼及常數(shù)。,2.3.2 程序存儲器,2.3

41、存儲器,7讀程序存儲器 程序存儲器是用于存放用戶程序的，在一般的工作情況下，單片機(jī)上電后，CPU就自動從程序存儲器(閃存)的0000H地址開始逐條讀取指令，并執(zhí)行指令。,2.3.2 程序存儲器,2.3 存儲器,單片機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲器主要用于存放經(jīng)常要改變的中間運(yùn)算結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存或標(biāo)志位等，通常都是由隨機(jī)存儲器(RAM)組成。 C8051F單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器可分為核內(nèi)、片內(nèi)和片外3個部分，如果片內(nèi)夠用，則不必擴(kuò)充片外的數(shù)據(jù)存儲器。,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,3個部分分別為 1) CIP-51核內(nèi)部的256B數(shù)據(jù)RAM 2) CIP-51核外部的片內(nèi)4KB RAM塊，稱為XRAM數(shù)據(jù)存

42、儲器空間。 3) C8051F02x還提供64 KB空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口，可用于訪問片外存儲器以及與存儲器統(tǒng)一編址的其他I/O器件。,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,1核內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)及操作 核內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器為8位地址，尋址范圍為00HFFH，對00H7FH的訪問可采用直接尋址方式和間接尋址的方式。對于80HFFH數(shù)據(jù)RAM區(qū)的訪問只能采用間接尋址方式訪問，,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,核內(nèi)數(shù)據(jù)存 儲器的結(jié)構(gòu),2.3 存儲器,(1) 通用工作寄存器區(qū) 程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設(shè)置來決定CPU當(dāng)前使用哪一組。,2.3 存儲器,(2)位尋址區(qū),2.3 存儲器,通

43、用工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū)在不用作寄存器或位尋址時，都可作為一般的用戶數(shù)據(jù)區(qū)。 (3)用戶RAM區(qū) 30H7FH地址空間為用戶RAM區(qū)，通?？捎糜跀?shù)據(jù)存取和堆棧區(qū)。,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)及操作 C8051F02x有4KB片內(nèi)XRAM，尋址范圍為000HFFFH。片內(nèi)XRAM的低地址部分(00H0FFH)和核內(nèi)RAM的地址碼是相同的。區(qū)分這2部分地址空間的方法是采用不同的尋址指令，訪問核內(nèi)RAM用“MOV”指令，訪問片內(nèi)XRAM用“MOVX”指令。,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,3片外數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)及操作 通過外部數(shù)據(jù)存儲器接口EMIF，還可訪

44、問64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器或其他I/O器件，尋址范圍為0FFFFH。 區(qū)分這2部分地址空間的方法是，通過對外部存儲器接口配置寄存器EMI0CF,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,3片外數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)及操作 通過外部數(shù)據(jù)存儲器接口EMIF，還可訪問64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器或其他I/O器件，尋址范圍為0FFFFH。 區(qū)分這2部分地址空間的方法是，通過對外部存儲器接口配置寄存器EMI0CF,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,2.3 存儲器,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的高128字節(jié)地址80HFFH中分布著一定數(shù)量的專用寄存器SFR。 例如C8051F02x中有122個專用寄存器SFR，而C8051F00 x/01x

45、中有99個專用寄存器SFR等。它們主要用于管理片內(nèi)和片外的功能部件(指定時器、中斷系統(tǒng)及外部擴(kuò)展的存儲器、外圍芯片等)。用戶通過對SFR進(jìn)行編程操作，既可方便地管理與單片機(jī)有關(guān)的所有功能部件，又可方便地完成各種操作和運(yùn)算。,2.3.4專用寄存器SFR,2.3 存儲器,訪問專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。 專用寄存器并未占滿80HFFH整個地址空間，對空閑地址的操作是無意義的。若訪問到空閑地址，則讀出的是隨機(jī)數(shù)。,2.3.4專用寄存器SFR,2.3 存儲器,下面介紹部分專用寄存器 : 1程序狀態(tài)字寄存器(PSW) PSW是用于反映程序運(yùn)行狀態(tài)的8位寄存器，當(dāng)CPU進(jìn)行各種邏輯操作或算術(shù)運(yùn)算時

46、，反映了操作或運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)。這些標(biāo)志位的狀態(tài)，可由專門的指令來測試，也可通過指令讀出。,2.3.4專用寄存器SFR,2.3 存儲器,PSW格式如下：,2.3.4專用寄存器SFR,2.3 存儲器,下面說明各標(biāo)志位的作用。 PF：（PARITY）奇偶標(biāo)志。 表示累加器A內(nèi)容的奇偶性。在C8051F的指令系統(tǒng)中。凡是改變累加器A中內(nèi)容的指令均影響奇偶標(biāo)志位PF。 當(dāng)P=1時，表示有奇數(shù)個“1”； 當(dāng)P=0時，表示有偶數(shù)個“1”。,程序狀態(tài)字寄存器PSW,2.3 存儲器,F1：用戶標(biāo)志，由用戶置位或復(fù)位。 OV：溢出標(biāo)志。 該位表示在進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時，是否發(fā)生了溢出。在有符號數(shù)進(jìn)行加、減運(yùn)算時： 當(dāng)O

47、V=1時，表示運(yùn)算結(jié)果發(fā)生了溢出； 當(dāng)OV=0時表示運(yùn)算結(jié)果沒有溢出。,程序狀態(tài)字寄存器PSW,2.3 存儲器,RS0、RS1：工作寄存器組選擇位。 用以選擇當(dāng)前所用的工作寄存器組。用戶用軟件改變RS0和RS1的組合，可以選擇當(dāng)前選用的工作寄存器組。 單片機(jī)在復(fù)位后，RS0=RS1=0，CPU默認(rèn)第0組為當(dāng)前工作寄存器組。,程序狀態(tài)字寄存器PSW,2.3 存儲器,F0：用戶標(biāo)志位，同F(xiàn)1。 AC：半進(jìn)位標(biāo)志。 該位表示當(dāng)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時。低半字節(jié)向高半字節(jié)是否進(jìn)位或錯位。 當(dāng)AC1時，表示有進(jìn)位或借位： 當(dāng)AC0時，表示沒有進(jìn)位或借位,程序狀態(tài)字寄存器PSW,2.3 存儲器,CY：進(jìn)位標(biāo)志

48、。 當(dāng)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時，操作結(jié)果最高位(位7)是否有進(jìn)位或有錯位。 當(dāng)CY1時，表示有進(jìn)位或有借位： 當(dāng)CY0時，表示沒有進(jìn)位或借位。 在進(jìn)行位操作時，CY又作為位操作累加器C。,程序狀態(tài)字寄存器PSW,2.3 存儲器,2.累加器(ACC) ACC是8位寄存器。通過暫存器與ALU相連。是CPU中工作最繁忙的寄存器，進(jìn)行算術(shù)、邏輯類操作時，運(yùn)算器的操作數(shù)及運(yùn)算結(jié)果多在ACC中。在指令系統(tǒng)中累加器的助記符為A。,2.3.4專用寄存器SFR,2.3 存儲器,3.數(shù)據(jù)指針寄存器(DPTR) 為便于對16位地址片內(nèi)、片外存儲器和外部擴(kuò)展的I/O器件訪問，單片機(jī)中有1個16位的數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR。作間址寄存器使用。也可拆成高字節(jié)DPH和低字節(jié)DPL兩個獨立的8位寄存器，地址：分別為82H83H，,2.3.4專用寄存器SFR,2.3