單片機基礎學習(一):存儲結構

51單片機存儲器有數據存儲器，程序存儲器。數據存儲器是為正在運行的程序提供空間，即RAM，程序存儲器為程序的存儲提供空間，即ROM，剛開始的單片機一旦寫入程序就不能修改，后來出現了紫外線擦除(EPROM)、電擦除(EEPROM)和FlashROM。

　　數據存儲器又分片內數據存儲器和片外數據存儲器，標準的51單片機的片內數據存儲器容量是256字節，地址編碼00H～FFH，其中高128字節(80H～FFH)是SFR區(特殊功能寄存器)，低128字節(00H～7FH)用戶數據存儲器，在這個128字節中，00H～1FH這32個字節分給了4組工作寄存器(R0~R7)，20H～2FH這16字節是位尋址區，30H～7FH這80字節是用戶RAM區，可以隨意使用。通過51單片機內部的并行擴展總線，51單片機可以訪問最多64K范圍的外部數據存儲器(注：這個說法是有問題的，看后面)，由于內部的AB寬度是16位，所以內部數據存儲器尋址能力是64K。

　　程序存儲器也分為片內和片外，由于片內外的AB寬度是16位，所以尋址能力都是64K。

　　但是由于I/O端口和外圍設備與數據存儲器統一編址，暫用了片外數據存儲器的地址空間，所以片外數據存儲器尋址范圍不足64K。

　　前面我們分析了存儲結構，發現無論是數據存儲器和程序存儲器，它們片內外的尋址能力都是64K。那他們是如何編址的呢?答案是：統一編址0000H～FFFFH

　　你是不是感到很疑惑?如何做到的?

　　首先，片內數據存儲器和片外數據存儲器，對于同一個地址(假設1111F)CPU是如何區分到那個存儲器呢?分析一下指令，如果是MOVX那么是到片外數據存儲區，如果是MOV則是到片內數據存儲區。

　　其次，片內數據存儲器和片內程序存儲器，他們的控制信號不同，訪問片內數據存儲器信號是Ld等，訪問片內程序存儲器的控制信號是Emp等。

　　第三，片內程序存儲器和片外程序存儲器，同“首先”

　　第四，片外數據存儲器和片外程序存儲器，同“其次”

　　如何擴展呢?

　　我們知道P0口有時分復用功能，既可以作為8位數據總線又可以作為低8位地址總線，我們使用地址鎖存器把8位的數據總線和低8位的地址總線分開，這樣P0提供低8位的地址總線和P2提供的高8位總線構成了16位的外部地址總線，P0提供了8位外部數據總線，加上控制總線，這樣就形成了三總線結構。所有外圍芯片都是通過這三總線進行擴展。

　　可能有這個疑問：P0口如何時分復用的?

　　通過內部CB的ALE控制信號，下降沿時將P0口輸出的數據作為地址信息儲存，此時P0作為低8位地址總線，在其他時刻P0作為8位數據總線。與外界的通信除了少部分通過P1，全部通過P0。

　　我們稍微了解一下51單片機的時序單位……

　　晶振提供的頻率我們稱為振蕩頻率，假設它的周期為T0，一個T0周期稱為一個節拍，用字母P表示，振蕩頻率經過二分頻后我們得到振動頻率，它的周期為T1(T1=2T0)，一個T1周期稱為一個狀態，用字母S表示，振蕩周期經過6分頻我們得到ALE控制信號(注：下面有具體介紹)，振蕩周期經過4分頻我們得到PSEN信號(注：下面有具體分析)。定義12個振蕩周期為一個機器周期，那么指令周期是什么?有些指令只需要一個機器周期能執行(確切說是：取指令、譯指令、執行指令)完，有些需要幾個(不管如何，一般指令周期是機器周期的整數倍，通常情況是1～4倍)。

　　我們有必要了解一下外部CB， 先介紹ALE控制信號：

　　ALE：高電平有效，是振蕩頻率的6分頻，利用下降沿來控制地址鎖存器鎖存低8位地址A0～A7。一個周期兩次有效，第一次是S1P2～S2P1，第二次是S4P2～S5P1。

　　然后介紹一下PSEN控制信號：

　　PSEN：低電平有效，是振蕩頻率的4分頻，用于訪問外部程序存儲器。一個周期兩次有效，第一次是S1P2～S2P2，第二次是S4P2～S5P2。

　　我們通過一個實例來理解它，假設我們訪問外部程序存儲器。

　　PSEN是和外部存儲器的OE端口接的(OE是低電平有效)，ALE是接地址鎖存器(假設是74HC373)的LE腳(高電平有效)。S1P2時刻，ALE上跳為高電平，74HC373的LE腳有效，74HC373內部8個鎖存器打開，到S2P1這個下降沿時刻，P0輸出的低8位地址被鎖存在鎖存器中，此時PSEN仍然為高電平，而P0由原來的低8位地址總線轉化為數據總線，等待外部程序存儲器輸出端的數據輸入，直到S2P2這個時刻，PSEN為下降沿，由無效轉化為有效，這時P2口的高8位地址和鎖存的P0的低8位地址組成16位地址，這個地址就是CPU要訪問的外部存儲器的地址，從這個地址中找出存儲的信息，輸出這個信息通過P0這個數據總線到達內部總線，最后到達目的地。

　　訪問外部數據存儲器與之類似，不過控制信號不是PSEN，而是WR和RD。

　　WR、RD：低電平有效，用于訪問外部數據存儲器的讀寫控制，當執行MOVX時，這兩個信號自動生成。