单片机基础学习(一):存储结构

51单片机存储器有数据存储器，程序存储器。数据存储器是为正在运行的程序提供空间，即RAM，程序存储器为程序的存储提供空间，即ROM，刚开始的单片机一旦写入程序就不能修改，后来出现了紫外线擦除(EPROM)、电擦除(EEPROM)和FlashROM。

　　数据存储器又分片内数据存储器和片外数据存储器，标准的51单片机的片内数据存储器容量是256字节，地址编码00H～FFH，其中高128字节(80H～FFH)是SFR区(特殊功能寄存器)，低128字节(00H～7FH)用户数据存储器，在这个128字节中，00H～1FH这32个字节分给了4组工作寄存器(R0~R7)，20H～2FH这16字节是位寻址区，30H～7FH这80字节是用户RAM区，可以随意使用。通过51单片机内部的并行扩展总线，51单片机可以访问最多64K范围的外部数据存储器(注：这个说法是有问题的，看后面)，由于内部的AB宽度是16位，所以内部数据存储器寻址能力是64K。

　　程序存储器也分为片内和片外，由于片内外的AB宽度是16位，所以寻址能力都是64K。

　　但是由于I/O端口和外围设备与数据存储器统一编址，暂用了片外数据存储器的地址空间，所以片外数据存储器寻址范围不足64K。

　　前面我们分析了存储结构，发现无论是数据存储器和程序存储器，它们片内外的寻址能力都是64K。那他们是如何编址的呢?答案是：统一编址0000H～FFFFH

　　你是不是感到很疑惑?如何做到的?

　　首先，片内数据存储器和片外数据存储器，对于同一个地址(假设1111F)CPU是如何区分到那个存储器呢?分析一下指令，如果是MOVX那么是到片外数据存储区，如果是MOV则是到片内数据存储区。

　　其次，片内数据存储器和片内程序存储器，他们的控制信号不同，访问片内数据存储器信号是Ld等，访问片内程序存储器的控制信号是Emp等。

　　第三，片内程序存储器和片外程序存储器，同“首先”

　　第四，片外数据存储器和片外程序存储器，同“其次”

　　如何扩展呢?

　　我们知道P0口有时分复用功能，既可以作为8位数据总线又可以作为低8位地址总线，我们使用地址锁存器把8位的数据总线和低8位的地址总线分开，这样P0提供低8位的地址总线和P2提供的高8位总线构成了16位的外部地址总线，P0提供了8位外部数据总线，加上控制总线，这样就形成了三总线结构。所有外围芯片都是通过这三总线进行扩展。

　　可能有这个疑问：P0口如何时分复用的?

　　通过内部CB的ALE控制信号，下降沿时将P0口输出的数据作为地址信息储存，此时P0作为低8位地址总线，在其他时刻P0作为8位数据总线。与外界的通信除了少部分通过P1，全部通过P0。

　　我们稍微了解一下51单片机的时序单位……

　　晶振提供的频率我们称为振荡频率，假设它的周期为T0，一个T0周期称为一个节拍，用字母P表示，振荡频率经过二分频后我们得到振动频率，它的周期为T1(T1=2T0)，一个T1周期称为一个状态，用字母S表示，振荡周期经过6分频我们得到ALE控制信号(注：下面有具体介绍)，振荡周期经过4分频我们得到PSEN信号(注：下面有具体分析)。定义12个振荡周期为一个机器周期，那么指令周期是什么?有些指令只需要一个机器周期能执行(确切说是：取指令、译指令、执行指令)完，有些需要几个(不管如何，一般指令周期是机器周期的整数倍，通常情况是1～4倍)。

　　我们有必要了解一下外部CB， 先介绍ALE控制信号：

　　ALE：高电平有效，是振荡频率的6分频，利用下降沿来控制地址锁存器锁存低8位地址A0～A7。一个周期两次有效，第一次是S1P2～S2P1，第二次是S4P2～S5P1。

　　然后介绍一下PSEN控制信号：

　　PSEN：低电平有效，是振荡频率的4分频，用于访问外部程序存储器。一个周期两次有效，第一次是S1P2～S2P2，第二次是S4P2～S5P2。

　　我们通过一个实例来理解它，假设我们访问外部程序存储器。

　　PSEN是和外部存储器的OE端口接的(OE是低电平有效)，ALE是接地址锁存器(假设是74HC373)的LE脚(高电平有效)。S1P2时刻，ALE上跳为高电平，74HC373的LE脚有效，74HC373内部8个锁存器打开，到S2P1这个下降沿时刻，P0输出的低8位地址被锁存在锁存器中，此时PSEN仍然为高电平，而P0由原来的低8位地址总线转化为数据总线，等待外部程序存储器输出端的数据输入，直到S2P2这个时刻，PSEN为下降沿，由无效转化为有效，这时P2口的高8位地址和锁存的P0的低8位地址组成16位地址，这个地址就是CPU要访问的外部存储器的地址，从这个地址中找出存储的信息，输出这个信息通过P0这个数据总线到达内部总线，最后到达目的地。

　　访问外部数据存储器与之类似，不过控制信号不是PSEN，而是WR和RD。

　　WR、RD：低电平有效，用于访问外部数据存储器的读写控制，当执行MOVX时，这两个信号自动生成。