第二章 单片机的硬件
本章部分内容涉及的寻址、中断等内容，将在后续章节介绍。
2.1 硬件组成
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- 8位CPU，包含运算器和控制器两大部分。
- 数据储存器(256B RAM)，但在片外可以外扩，最多可以多外扩64 KB。
- 程序存储器(8KB Flash ROM)，片外也可以外扩，但片外最多外扩至64 KB。即“片内+片外”的ROM不超过64 KB。
- 4个8位并行I/O口
- 3个可编程的16位定时器/计数器
- 6个中断源，6个中断向量（中断服务子程序入口地址），两级中断优先权。
- SFR。共有32个SFR，用于CPU对片内各外设部件进行管理、控制和监视。SFR映射在片内的RAM（地址为80H-FFH）。
- 一个Watch Dog Timer
- 有在低功耗下工作的节电的空闲模式(Idle Mode)和掉电模式(Power Down Mode)
各个部件通过单片机片内的单一总线连接而成。CPU对片内各种外设部件的控制，是利用特殊功能寄存器(SFR)进行集中控制的。
2.2 引脚功能
主要为40引脚的DIP(double in-line package)封装。
PLCC(plastic leaded chip carrier)封装和TQFP(thin quad flat package)封装不常见。
DIP封装方式的单片机有40个引脚。
这40个引脚可以分为三类
- 电源及时钟引脚
（注：XTAL 就是crystal 晶体）
- 控制引脚
- I/O 引脚 4×8 = 32 个
选取一些较为具体地讲一下
- XTAL1是片内时钟振荡器的反相放大器的输入端。若单片机使用片内时钟，该引脚接石英晶体和微调电容。若使用外部时钟时，该引脚接外部时钟振荡器的输出。
- XTAL2是片内时钟振荡器的反相放大器的输出端。若单片机使用片内时钟时，该引脚同样接石英晶体和微调电容。若使用外部时钟，则该引脚悬空。
- RST为复位信号输入端，上面没杠代表高电平有效。具体地说，如果给该引脚加超过两个机器周期(24个时钟周期)的高电平，则单片机复位。单片机正常工作时，这个引脚的输入应为 ≤ 0.5 V的低电平。看门狗让单片机复位的原理，就是当看门狗的定时器溢出时，看门狗定时器会向RST引脚输出一个长达8个机器周期的高电平，所以单片机就会复位。
-
引脚意为地址使能(Enable Address)。这里的地址就是外部程序存储器(ROM)的地址空间，当
- ALE意为地址锁存使能(Address Latch Enable)。它的存在，是因为单片机的引脚数目有限，因此P0口是作为低8位地址总线和8位数据总线分时复用的。当单片机要和外界进行数据交流时（单片机要访问外部ROM/RAM），这时候P0口就要变成8位数据总线，在变成数据总线之前，ALE会进行一次负跳变，将P0口先发出的低8位地址锁存到P0口外接的地址锁存器中，完成这一操作后，P0口才能够放心大胆地去当它的数据总线。这也是地址锁存使能名字的由来。
-
(Program Strobe ENable)。Strobe意为闸门，因此这个引脚的作用就是当单片机访问片外ROM读取指令码时，这个引脚在每个机器周期会产生两次有效信号（低电平信号）。
2.3 CPU
单片机的CPU由运算器和控制器组成
2.3.1 运算器
运算器用于对操作数进行算术、逻辑和位操作。运算器主要包括
算术逻辑运算单元(Arithmetic Logical Unit, ALU)。ALU可以对8位（单字节）的变量进行逻辑和算术运算，也可以对位变量进行逻辑运算和set、reset、complete等运算。
-
累加器A。CPU中使用最频繁的8位寄存器，为32个SFR之一。作用：
- 作为ALU的输入之一，也是ALU输出结果的存放地。
- 数据传送的中转站。但由于累加器只有一个，如果大家都要用累加器中转就会堵车，所以单片机增加了一部分数据传送指令，这使得某些数据的传送可以不经过累加器。累加器有一个进位位Cy（位于PSW中），这个Cy同时也是位处理器的（位）累加器
-
程度状态字寄存器(Program Status Word, PSW)。顾名思义，这是一个8位寄存器，而且每个位都包含了程序运行状态的不同信息。堪称是单片机的体检报告单。PSW的从高到低依次为
- Cy 进位标志位。
- Ac 辅助进位标志位。
- F0 用户使用的标志位。
- RS1 RS0 工作寄存器选择控制位。
- OV 溢出标志位。
- PSW.1 保留位，无用
- P 奇偶校验位。用以表示累加器A中 1 的个数。P =1 代表A中 1 的个数为奇数。
2.3.2 控制器
CPU的控制器是识别指令，并根据指令性质控制片内各部件，具体而言，就是对控制指令（程序）进行读入、译码和执行。控制器包含：
- 程序计数器(Program Counter, PC)。PC是一个独立的16位计数器，用户没办法直接访问PC（读/写）。当单片机复位时，PC的值会变成 0000H。PC的值实际上是某个程序（指令）的地址，因此PC就是程序存储器(ROM)的地址指针，也就是程序指针。程序指针和程序计数器是从不同的方面描述同一个事物（PC），它们指的是同一个东西。PC的工作过程是这样的：当CPU想要读取某条指令时，CPU会将PC的值——也就是指令的地址——告知程序存储器(ROM),然后程序存储器就会把这个地址上的指令找出来供CPU读取，CPU读取指令后，PC自加——这也是为什么PC名字的由来。最最最重要的一点：PC的计数宽度(16 位)，决定了单片机能够访问的ROM的范围(
B = 64 KB)，因此程序存储器最多只能有64 KB。
2.4 存储器（最难）
单片机的存储器空间可以划分成四类
2.4.1 程序存储器(ROM) 重要
单片机之所以可以按敌营的次序工作，就是因为ROM中存放了调试正确的程序。单片机的地址总线有16位，这意味着有共 B = 64 KB的空间可供程序指令居住。片内ROM是8 KB的Flash存储器，地址范围为0000H-1FFFH。片外可最大外扩64 KB的ROM，地址范围为0000H-FFFFH。在这里，我们会看到片内和片外ROM有一部分地址（门牌号）是相同的，但是！由于对片内ROM和片外ROM的寻址方式是不同的，所以即使门牌号相同也不会引起误解，系统根据指令，会知道到底是访问片内的0000H还是片外的0000H。
在ROM的使用中，需要注意两个问题：
CPIU究竟是访问片内还是片外ROM，是由
-
程序存储器(ROM)中的一个单元对应一个字节，可以存放一条单字节指令。程序存储器的某些单元是给中断服务子程序留的，这些位专门作为中断服务子程序的入口地址
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如上表所示，一共有6个单元是留给中断服务子程序做入口地址的。但大家也可以看，这些入口之间彼此的空间是很狭窄的，仅有8个单元，如果我们要写中断服务子程序，一般来讲肯定是写不下的，除非你的中断服务程序就一两条指令，而与此同时，ROM可是有着64 KB()的空间，还有广阔天地可以用于储存程序。因此，通常的做法是在这些入口存放一条跳转指令，并在相应的地方再写上完整的中断服务子程序。这样，当中断触发时，CPU的PC值等于中断服务子程序入口地址时，PC就会根据相应的指令跳向那个储存着完整中断子程序的地方（那个地方才能真正称为中断服务子程序的入口地址，前述那个倒不如说是个藏宝图）。
而且，由于单片机复位后PC的值变成0000H，我们可以看到，0000H和外部中断0的入口地址0003H之间仅仅隔着三个单元，这么狭窄的空间，主程序怎么可能写的下呢？但三个单元的空间放个跳转指令还是可以的，所以一般在0000H单元存放一条跳转指令，单片机一复位，CPU一读取这个跳转指令，就跳向主程序的入口地址。
2.4.2 数据存储器(RAM) 重要
单片机的片内RAM共有256B（256个字节），字节地址为00H-FFH
如上图，这个就是单片机内部RAM的结构，但是高128 B的RAM和SFR的地址时一样的，如果发生要找高128 B的 RAM ，却误打误撞跑去找了SFR，这可怎么办呢？这当然是不可能的。。。它们的指令寻址方式是不同的，CPU会自己判断这个80H是RAM的还是SFR的。对于高128 B (80H-FFH)的 RAM，只能通过间接寻址(@)，而对于相同地址的SFR，只能通过直接寻址，对于低128 B的RAM，既可以直接寻址也可以间接寻址。
同时我们会看到20H-2FH是位寻址去，这表明这个区域既可以位寻址也可以字节寻址。而30H-7FH的 RAM只能字节寻址。
如果使用了片外的RAM，我们会发现片外的低256 B的地址和片内这边的低256 B的地址肯定是一样的，但还是一样，我们会使用不同的汇编语言指令寻址方式来访问这两块数据区，CPU会自己判断某个00H究竟是片内RAM的还是片外RAM的。
2.4.3 SFR （重要）
SFR的单元地址在片内RAM的80H-FFH中（前述，片内RAM有两个80H-FFH），前面提到SFR只有32个，而片内RAM的80H-FFH是有128个字节的，所以SFR的32个地址是离散地分布在这个区域的。
千万要注意，片内 RAM的80H-FFH，里面是SFR的地址，不是SFR！！SFR的值不在那里。
这里主要介绍的SFR有
-
堆栈指针(Stack Pointer, SP)。堆栈指针，顾名思义，SP里面存放的值就是堆栈的地址。堆栈在片内的RAM中，而SP的值则是堆栈顶部在片内RAM的位置。它的值可以值00H-FFH的任意一个值。堆栈要注意两个词——向上生长和先进后出。单片机复位后，SP的值为07H，由于向上生长，当第一个字节被压入堆栈时，SP的值会变成08H，也就是说堆栈实际上是从08H开始的。而我们可以看到，片内 RAM的08H-1FH是工作寄存器的地盘，堆栈设在要在用户RAM区会好一点，因此通常的操作是，在单片机复位后，先把SP的值从07H改成60H或者其他大于30H的值，以避免进入别人的地盘。
这里在强调一下堆栈的作用，堆栈是为了调用子程序和有关中断的操作而设立的，它的功能是
- 保护断电。无论是子程序调用还是中断服务子程序的调用，主程序的进行都会被“打断”。但是等子程序执行完毕后，主程序还得从原来的地方继续它的生活，因此要把主程序的断点地址（你已经想到了，是PC的值）压到堆栈（PC是16位，所以要压两个字节到堆栈）。为主程序之后做回原来的自己做准备。
- 保护现场。单片机在“打断”主程序后，要执行子程序。而子程序的执行，很可能要用到单片机中的一些寄存器，而寄存器原有的内容，我们可能并不想被子程序修改。于是在执行子程序之前，有必要把这些寄存器现有的值保护起来，也压到堆栈里。当前时刻这些寄存器的值的集合，反映了这个时刻单片机的状态，形象点来理解，就有点类似于“犯罪现场”的意思，因此我们在利用子程序之前，有必要保护“现场”不受破坏。
寄存器B。乘除用，好理解。
AUXR(AUXILIARY) 辅助寄存器。ALE和看门狗相关，好理解。
数据指针(DPTR0/1)，便于访问RAM，不作为重点。AUXR1辅助寄存器（也是一个SFR）和数据指针相关
看门狗(Watch Dog Timer, WDT)。单片机世界秩序的守护者。包含一个14位的计数器和看门狗复位寄存器(WDTRST)
2.4.4 位地址空间
位地址空间共有两部分，分别位于片内RAM和SFR区域中。
位地址和字节地址不同，一个字节地址代表的一个单元大小是一个字节。而一个位地址代表的一个单元，大小是一个位。举个例子，位地址的范围为00H-FFH，有219个（有些位地址无效），其中位地址 80H代表的是P0的最低位，也就是说P0最低位的位地址是80H。而位地址00H代表的是片内 RAM中20H这个单元的最低位。位地址00H-07H分别代表了片内RAM 的20H单元的最低位到最高位。
2.5 I/O 口
内容较少，比较重要的点，比如
- P0口可以作用通用的I/O口，此时需要在各引脚的片外接上拉电阻。同时P0口也作为8位数据总线和低8位地址总线分时复用。大多数情况下，单片机都要扩展 RAM或者I/O 芯片接口,所以P0一般不作为通用I/O 口。
- P1只能当通用I/O 口。
- P2 可作为高8位地址总线，也可作通用I/O口 。但一般情况下，单片机最需要它做地址总线。
-
P3的第一功能是通用I/O 口，第二功能5.jpg
2.6 时钟电路
前述所谓“XTAL1/2 接微调电容和石英晶体”的图解就在这里。
单片机执行指令的动作，均处在CPU控制器下辖的的时序控制电路的控制下，因此我们需要明确这些概念
- 时钟周期。单片机时钟控制信号的基本单位。
, osc 即oscillation(振荡)之缩写。
- 机器周期。定义：CPU完成一个基本操作所需要的时间。每个机器周期为12个时钟周期。
- 指令周期。定义：执行一条指令所需要的时间。指令分为单周期指令、双周期指令和四周期指令（只有乘除）。
2.7 复位电路 2.8 最小应用系统 2.10 低功耗模式（略）
2.9 看门狗简介
育碧的《看门狗》名字便来源与此，这也是本人挺喜欢的一款游戏。
系统时刻需要被复位，看门狗的意义就是让单片机在失控后可以自己复位，而不需要外部的监视。
简而言之，看门狗的思想就是用一个计数器对系统时钟不断计数，当计数器溢出后看门狗就会把系统复位，因此如果程序运行正常，显然需要定期喂狗——也就是把看门狗计数器定期清零，否则看门狗就会发疯，在程序正常运行的条件下就把系统复位。
课后题（略）
